БЕЛКОВАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ЭВОЛЮЦИЯ

Ю. О. Чернов

Технологический институт Джорджии

Атланта, США; yury. chernoff@biology. gatech. edu

Дарвин и его последователи считали, что наследственные признаки кодируются маленькими частицами (геммулами или геммами), собирающимися в наследуемые структуры большего размера. Исследования последних лет свидетельствуют, что структурные «матрицы» белковой природы действительно играют важную роль в наследственности. Примером структурных матриц являются прионы амилоид — ного типа (инфекционные агенты нейродегенеративных заболеваний у млекопи — тающих и наследуемые детерминанты у дрожжей и других грибов). Амилоиды —

нековалентные волокнистые β-богатые белковые полимеры, воспроизводящиеся по

механизму нуклеированной полимеризации. Шапероновый аппарат сборки/раз-борки белковых структур и их защиты от стрессов контролируют воспроизведение прионов. Существуют и другие системы структурной наследственности, в частности

«матричная» сборка поверхностных структур у простейших. Эти данные указывает на возможную роль прямой преемственности белковых структур в эволюции.

Ключевые слова: Амилоид, геммула, дрожжи, пангенезис, прион.

Взгляды Дарвина и его последователей на наследственность

Сегодня мы вспоминаем Чарлза Дарвина в первую очередь как создателя теории естественного отбора. Между тем Дарвин сформулировал также и гипотезу панге — незиса (Darwin, 1868, цит. по Darwin, 1972), которая составила квинтэссенцию его представлений о наследственности. Согласно этой гипотезе, компоненты организма производят частицы (пангены, или геммулы), которые в конечном счете собираются вместе и формируют половые «элементы» (половые клетки или их части), переда — ющие признаки, переносимые геммулами, следующему поколению. Хотя Дарвин не конкретизировал молекулярной основы геммул, вряд ли приходится сомневаться, что он и его последователи связывали геммулы с белками, которые безоговорочно воспринимались в то время основными носителями жизненных характеристик.

Гипотеза геммул получила дальнейшее развитие в трудах В. Гааке (Haake, 1893, цит. по Гааке, 1996), который предложил модель иерархической организации струк — турных элементов наследственности. Согласно этой модели, маленькие гранулы, аналогичные дарвиновским геммулам (Гааке именовал их «геммами»), собирают — ся в комплексы («геммарии»), причем форма гемм, из которых сложены геммарии, определяет и форму последних. Из геммариев в итоге собираются клетки. Суще — ствует сравнительно небольшое количество разных типов гемм, из которых по — средством их укладки формируется бесконечно большое разнообразие геммариев. Стабильность формы гемм определяет стабильность наследования, тогда как изме — нения формы исходных гемм (например, под действием внешних условий) ведут к изменениям геммариев и таким образом выражаются в наследуемой изменчивости (рис. 1). В своей модели гемм и геммариев Гааке фактически сформулировал кон — цепцию структурных матриц, в которых он и видел основу наследования.

Дальнейший прогресс в исследованиях инфекционных энцефалопатий был в зна — чительной степени связан с работами американского исследователя С. Прузине — ра, который предложил термин «прион» (prion, от proteinaceous infectious particle) для обозначения инфекционного агента, и термин «прионовые заболевания» для обозначения инфекционных энцефалопатий (Prusiner, 1982). Прузинер и его со — трудники (Bolton et al., 1982) показали, что в мозгу больных индивидуумов нака — пливается специфический белок, который они назвали прионовым белком (PrP). В отличие от PrP, найденного в здоровом организме и обозначенного как PrPC, от cellular (клеточный), белок, ассоциированный с заболеванием (и обозначенный как PrPSc, от scrapie), формировал волокнистые структурированные агрегаты, богатые

β-структурами (амилоиды), и характеризовался повышенной устойчивостью к про-теолизу. В дальнейшем было установлено, что наследственные формы инфекцион-ных энцефалопатий связаны с мутациями в гене, кодирующем PrP. В лаборатории

швейцарского исследователя Ч. Вайссмана были сконструированы линий мышей,

лишенные PrP. С помощью этих линий удалось показать, что отсутствие клеточной

изоформы PrP делает мышей, невосприимчивыми к прионовой инфекции (Sailer

et al., 1994). В конечном счете была разработана модель, объясняющая инфекци — онную форму PrPSс как конформационный вариант (конформер) PrP, который способен конвертировать клеточный PrPC в PrPSс и таким образом распространять прионовую конформацию (см.: Prusiner, 1998). Наиболее логичным механизмом конформационной конверсии в настоящее время представляется нуклеированная полимеризация (рис. 2), при которой мономерный белок включается в полимерные амилоидные волокна, что сопровождается изменением его конформации (Lansbury, Caughey, 1995). Действительно, амилоиды иммобилизуют мономерный белок той же аминокислотной последовательности in vitro. Хотя структурные исследования амилоидов пока еще не достигли уровня разрешения сопоставимого с исследовани- ями кристаллов растворимых белков, тем не менее ясно, что амилоиды являются не- ковалентными полимерами, в которых белковые молекулы повидимому соединены

друг с другом через межмолекулярные взаимодействия между β-структурами, так что белок в составе амилоида обычно имеет более высокое содержание β-структур,

чем тот же белок в мономерной форме. Интересно, что один и тот же белок может

образовывать разные конформационные варианты амилоидов, однако первоначаль-но образованный вариант в дальнейшем точно воспроизводит свои характеристики.

Рис. 2. Прионовая модель. Воспроизведение приона изображено в соответствии с моделью нуклеированной полимеризации (Lansbury, Caughey, 1995). Иммобилизация клеточного белка в прионовый полимер сопровождается изменением конформации белка,

в результате чего воспроизводится прионовая конформация

Это может объяснять существование различных вариантов («штаммов») инфекци — онного агента, различающихся по инкубационным периодам и специфичности ин — фекции (cм.: Weissmann, 2004).

Прионовая модель длительное время не признавалась исследователями ввиду отсутствия прямых доказательств того факта, что PrP не только необходим, но и достаточен для переноса инфекции. В конечном счете, большой объем косвенных доказательств убедил большинство скептиков, и в 1997 г. С. Прузинер получил Нобелевскую премию за исследования прионовых заболеваний. Работы последу- ющих лет показали, что протеазоустойчивую и в некоторых случаях инфекционную форму PrP можно получать in vitro при добавлении небольшого количества PrPSc к мозговым экстрактам, содержащим PrPC (Castilla et al., 2005). В самое последнее время удалось продемонстрировать и инфекцию чистым белком, полимеризован — ным в амилоидную форму в пробирке (Kim et al., 2010; Wang et al., 2010). Хотя с формальной точки зрения к уровню доказанности прионовой модели можно еще предъявить некоторые претензии, мало у кого остаются сомнения, что белок PrPSc действительно является носителем инфекции.

Целый ряд заболеваний (около 30) у человека связан с формированием амило — идных форм различных белков (см.: Luheshi, Dobson, 2009). Наиболее распростра — ненными из них являются болезни Альцгеймера и Паркинсона (см.: Irvine et al., 2008; Yankner, Lu, 2009). Достаточно известны также заболевания, связанные с агрегацией полиглутаминовых белков, например болезнь Хантингтона (см.: Williams, Paulsen,

2009). Последняя имеет наследственную природу, однако большинство случаев бо — лезней Альцгеймера и Паркинсона являются «спорадическими», то есть не связаны с мутациями в ДНК. Эти заболевания преимущественно поражают людей преклон — ного возраста (например, болезнь Альцгеймера обнаруживается примерно у трети людей, чей возраст превышает 85). Таким образом, роль этих заболеваний будет только расти с увеличением продолжительности жизни. На сегодня большинство этих заболеваний неизлечимы, а многие (включая болезнь Альцгеймера) фаталь — ны. До недавнего времени считалось, что большинство амилоидозов отличаются от прионовых заблолеваний отсутствием инфекционности. В нормальных условиях инфекция действительно не обнаружена, но в эксперименте инъекция амилоидов может вызывать аггрегацию белка в здоровых клетках (Frost, Diamond, 2009; Kane et al., 2000; Ren et al., 2009). Таким образом, прионовые заболевания представляют лишь экстремальный случай большой группы заболеваний, связанных с возникно — вением или воспроизведением альтернативной конформации белка.

Прионы как наследуемые детерминанты у дрожжей

Следующий шаг в развитии прионовой модели был совершен американским ис — следователем Р. Уикнером, который предложил расширительную трактовку приона как инфекционного белка и распространил эту трактовку на детерминанты дрожжей Saccharomyces cerevisiae, передаваемые через цитоплазму (Wickner, 1994). Посколь — ку процесс передачи таких детерминантов в равной степени может именоваться как цитоплазматической инфекцией, так и неменделевским наследованием, в этом слу — чае мы уже имеем дело с прионами как элементами наследственности. Концепция Уикнера базировалась как на его собственных исследованиях, так и на результатах других групп, включая и работы российской школы генетиков дрожжей.

Еще с 1960–1970-х гг. у дрожжей-сахаромицетов были известны неменделев — ские наследуемые элементы, которые, несмотря на многолетние исследования, не удавалось связать с какими-либо нехромосомными нуклеиновыми кислота-ми. Один из таких элементов, обозначенный как Ψ+ или [PSI+], был обнаружен

английским исследователем Б. Коксом (Cox, 1965) и детально исследован в его

последующих работах, в значительной степени с участием его ученика М. Туита (см.: Cox et al., 1988). [PSI+] проявлял себя как трансляционный супрессор, то есть фактор, повышающий частоту ошибок терминации белкового синтеза, что мож — но было легко детектировать в специально сконструированных штаммах. Другой неменделевский элемент неизвестной природы, обозначенный как [URE3], был обнаружен в лаборатории французского исследователя Ф. Лакру (Aigle, Lacroute,

1975; Lacroute, 1971) при изучении пути биосинтеза урацила, и приводил к на — рушениям регуляции азотного метаболизма, что придавало дрожжам способность импортировать один из предшественников урацила — уреидосукциновую кислоту (опять же легко тестируемый фенотип в специально сконструированных штам — мах). Оба элемента наследовались по цитоплазматическому типу, но при этом были независимы от известных неядерных структур, содержащих ДНК или РНК (митохондрий, эндогенных вирусов и пр.).

Фенотип [PSI+] сходен с фенотипическим проявлением мутаций в некоторых ге-нах, продукты которых вовлечены в контроль элонгации и терминации трансляции.

Мутации в одном из таких генов, SUP35, были впервые описаны в работах С. Г. Инге-Вечтомова, выполненных на кафедре генетики и селекции Санкт-Петербургского

(тогда Ленинградского) государственного университета (Инге-Вечтомов, 1964;

Инге-Вечтомов, Андрианова, 1971). Этот ген был клонирован и секвенирован в

Кардиологическом центре в Москве в лаборатории М. Д. Тер-Аванесяна, ученика

С. Г. Инге-Вечтомова (Kushnirov et al., 1988). Дальнейшие исследования показали,

что SUP35 кодирует эволюционно консервированный фактор терминации трансля-ции Sup35, или eRF3 (Stansfield et al., 1995; Zhouravleva et al., 1995).

В работе, выполненной под руководством С. Г. Инге-Вечтомова, автор этих

строк (в то время сотрудник СПбГУ) и аспирантка И. Л. Деркач обнаружили,

что введение в клетки дрожжей многокопийной плазмиды с геном SUP35 приво-дит к возникновению (с высокой частотой) неменделевских детерминант, по всем характеристикам сходных с [PSI+], которые сохраняются и после потери плазми — ды (Chernoff et al., 1993). Таким образом, временное повышение копийности гена SUP35, и соответственно, уровня белка Sup35 приводило к наследуемому измене- нию. Этот результат указывал на прямую связь между Sup35 и [PSI+]. Вскоре после нашей работы группы Кокса и Тер-Аванесяна показали, что мутация в N-концевом домене гена SUP35 (Doel et al., 1994) или делеция этого домена (Ter-Avanesyan et al.,

1994) приводят к элиминации [PSI+]. Таким образом, N-концевой домен SUP35 ока-зался необходим для поддержания [PSI+].

Параллельно с этими исследованиями Р. Уикнер (на тот момент лидер в иссле-дованиях вирусов дрожжей) заинтересовался элементом [URE3] и его связью с ге-ном URE2, мутации в котором имели сходное фенотипическое проявление. Уикнер

обнаружил, что сверхпродукция белка Ure2 индуцирует возникновение [URE3],

тогда как делеция ure2 приводит к элиминации [URE3]. К моменту завершения этих

экспериментов Уикнеру стала известна наша опубликованная работа по индукции

[PSI+] многокопийным SUP35, а также неопубликованная еще работа Кокса о роли

N-концевого домена SUP35 в поддержании [PSI+] (работа Тер-Аванесяна, также еще не опубликованная, не была доступна Уикнеру). Сопоставив собственные данные по Ure2/[URE3] и данные других исследователей по Sup35/[PSI+], Уикнер пришел к вы — воду, что полученные результаты могут быть объяснены только в случае, если [URE3] и [PSI+] являются изоформами соответственно белков Ure2 и Sup35, которые могут воспроизводить себя по механизму, аналогичному прионовой модели (Wickner, 1994). В последующие годы усилиями нескольких лабораторий было показано, что в штам — мах дрожжей, содержащих соответствующий прион, белки Ure2 (Masison, Wickner,

1995) и Sup35 (Patino et al., 1996; Paushkin et al., 1996) действительно представлены в виде протеиназо-устойчивых агрегирующих изоформ. В нашей с И. Л. Деркач рабо — те, начатой в лаборатории С. Г. Инге-Вечтомова и законченной в США в лаборатории C. Либман, было показано, что при индукции [PSI+] сверхпродуцированным Sup35 возникают варианты, различающиеся по уровню ошибок терминации и эффективно — сти наследования в митотических делениях (Derkatch et al., 1996). Каждый из этих вариантов стабильно воспроизводил свои характеристики в дальнейшем, аналогично

«штаммам» прионов млекопитающих, описанным выше. В дальнейщем наследуемые варианты были описаны и для [URE3] в лаборатории Прузинера (Schlumpberger et al.,

2000). Работы американской лаборатории С. Линдквист (Glover et al., 1997) и швей- царской лаборатории К. Вютцриха (King et al., 1997) продемонстрировали, что фраг — менты, содержащие N-концевой домен белка Sup35, формируют амилоиды in vitro после продолжительной инкубации (лаг-периода). В дальнейшем образование ами — лоидов было подтверждено и для Ure2 в лаборатории Уикнера (Taylor et al., 1999). В элегантной работе из лаборатории М. Д. Тер-Аванесяна (Paushkin et al., 1997) и па- раллельно в лаборатории С. Линдквист (Glover et al., 1997) было продемонстрирова — но, что экстракт штамма [PSI+] (но не контрольного штамма, не содержащего детер — минанта [PSI+]) стимулирует образование аггрегатов Sup35 in vitro без лаг-периода.

Окончательно белковая природа [PSI+] была доказана американским иссле-дователем Дж. Вайссманом, который продемонстрировал что при трансфекции амилоида, полученного in vitro из чистого белка, содержащего N-концевой домен Sup35, в штамм дрожжей, не содержащий [PSI+], с высокой частотой получаются [PSI+] клетки. Первая попытка Вайссмана, использовавшая липосомную техноло — гию для ввода амилоида в дрожжи (Sparrer et al., 2000), не убедила всех специали — стов в силу невозможности адекватных контролей. Однако в дальнейшем выяс — нилось, что экзогенный белок легко проникает в сферопласты дрожжей (клетки с разрушенной оболочкой) без специальных ухищрений. Используя эту методику, последующая работа лаборатории Вайссмана (Tanaka et al., 2004) и параллельная работа Ч. Кинга и Р. Диаса-Алавоса (King, Diaz-Alavos, 2004) убедительно про — демонстрировали, что именно амилоид (а не вообще белок с N-доменом Sup35) специфически индуцирует образование [PSI+], причем разные конформационные варианты амилоидов формируют варианты [PSI+] c разными фенотипическими характеристиками. Более того, когда экстракт штамма, содержащего специфиче- ский вариант [PSI+], был использован для нуклеирования амилоида in vitro, свой — ства исходного варианта [PSI+] точно воспроизводились при последующей транс — фекции в дрожжи. Таким образом, исключительная роль белка в передаче свойств приона была доказана для дрожжей на гораздо более высоком уровне разрешения, чем для млекопитающих. В дальнейшем трансфекция была подтверждена и для

[URE3] (Brachmann et al., 2005), а также и для некоторых других вновь обнару — женных дрожжевых прионов (см. ниже).

 

Как Sup35, так и Ure2 содержат N-концевые домены (иногда называемые при — оновыми доменами, или PrD), которые не являются необходимыми для клеточных функций соответствующих белков, но необходимы и достаточны для поддержания и передачи прионового состояния. Именно прионовые домены взаимодействуют друг с другом и составляют ось амилоидного волокна (рис. 3). Cравнение с другими видами дрожжей показывает, что прионовые домены эволюционируют быстрее, чем функ — циональные регионы тех же белков (см.: Inge-Vechtomov et al., 2007). Сверхподукция PrD (как и целого белка) вызывает индукцию соответствующего приона (Derkatch et al., 1996; Masison, Wickner, 1995). PrD Sup35 и Ure2 не гомологичны ни PrP мле — копитающих (единственным сходством является наличие неполных олигопетидных повторов в PrD Sup35), ни друг другу, но они содержат участки богатые глутаминами (Q) и/или аспарагинами (N), что придает им сходство с полиглутаминовыми белками млекопитающих, связанными с болезнью Хантингтона и другими подобными заболе- ваниями (см.: Williams, Paulsen, 2008). Oколо 100 дрожжевых белков и от 1 до 4 % бел — ков в протеомах других эукариот (включая человека) содержат домены с подобным аминокислотным составом (Michelitsch, Weissman, 2000). Детальный анализ канди — датов в дрожжевом протеоме показал, что по крайней мере 5 белков с QN-богатыми доменами (в дополнение к Sup35 и Ure2) способны формировать и передавать прио — новые изоформы in vivo (см. табл. 1 и ссылки в таблице), и еще более 15 QN-богатых

Рис. 3. Структурно-функциональная организация дрожжевых прионов.

A – Типичная организация мономерного дрожже — вого прионового белка.

B – Организация амилоидного волокна образо — ванного дрожжевым прионом.

С – Поверхность межмолекулярного взаимодей-ствия β-структур в полимере в соответствии с

моделью Д. Эйзенберга

(Nelson et al., 2005). Существуют также и другие модели межмолекулярного взаимодействия в дрожжевых прионовых полимерах (Krishnan, Lindquist, 2005; Wickner et al., 2008)

Белок

Функция

Прион

Ссылка

Sup35 (eRF3)

Фактор терминации трансляции

+

Wickner, 1994

Ure2

Регулятор азотного катаболизма

[URE3]

Wickner, 1994

Rnq1

Белок неизвестной функции

+

[PIN+]

Derkatch et al., 1997, 2001; Sondheimer et al., 2001

Белок неизвестной функции

+

[PIN+]

Derkatch et al., 1997, 2001; Sondheimer et al., 2001

Swi1

Ремоделер хроматина

[SWI+]

Du et al., 2008

Cyc8

Транскрипционный корепрессор

[OCT+]

Patel et al., 2009

Mca1

Гомолог каспазы (протеазы)

Alberti et al., 2009

 
Установленные прионы Saccharomyces cerevisiae

Таблица 1

[PSI ]

[RNQ ] или

доменов способны делать это при подстановке в белок Sup35 вместо него PrD (Alberti et al., 2009; Osherovich, Weissman, 2001). Таким образом, прионовые свойства широ — ко распространены среди дрожжевых белков, и трудно поверить, что дрожжи пред- ставляют в этом плане исключение. Более того, очевидно, что не все прионы содер- жат QN-богатые участки, поскольку PrP млекопитающих, а также прионовый белок Het-s, обнаруженный у мицеллиального гриба Podospora anserina (cм.: Saupe, 2007), их не содержат. Следовательно, реальное число прионовых белков может оказаться значительно больше, чем мы можем сейчас предположить, и есть основания утверж — дать, что они составляют не исключение, а весьма распространенное явление.

Клеточный аппарат наследования прионов

Хотя прионовый белок дрожжей достаточен для структурного кодирования ин — формации, «записанной» в его конформации, эффективное воспроизведение и на — следование прионов в клетках дрожжей контролируется энзиматической системой, роль которой в белковой наследственности может быть сопоставлена с ролью энзи- матического аппарата репликации и сегрегации хромосом в «нуклеиновой» наслед — ственности. Первый и ключевой компонент этой системы был выявлен в моей работе, начатой во время командировки в Японию в группу Б. Оно, продолженной в Санкт — Петербургском университете в лаборатории С. Г. Инге-Вечтомова, и завершенной в США в лаборатории Либман при помощи лаборатории Линдквист (Chernoff et al.,

1995). Эта работа продемонстрировала, что для поддержания [PSI+] (прионовой

формы Sup35) необходим промежуточный уровень белка теплового шока Hsp104. Cверхпродукция Hsp104 приводила к частой потере [PSI+], а делеция гена, коди — рующего Hsp104 — к полной элиминации [PSI+]. Так впервые удалось связать шапе — рон с прионом. Поскольку было известно. что Hsp104 вовлечен в разборку белковых агломератов, вызванных тепловым шоком и другими стрессами (Lindquist et al., 1995), В. В. Кушниров и М. Д. Тер-Аванесян (Kushnirov, Ter-Avanesyan, 1998; Paushkin et al.,

1996) предположили что Hsp104 необходим для разбивки прионовых аггрегатов на олигомерные «зерна», инициирующие новые циклы полимеризации. При слишком

большом количестве шаперона прион, возможно, распадается на мономеры, которые не могут поддерживать прионовую конформацию (хотя существуют и другие модели, объясняющие эффект сверхпродукции Hsp104). В отсутствие или при низких уровнях Hsp104 эффективность воспроизведения приона нарушается из-за отсутствия новых

«зерен», и происходит нерегулируемый рост агрегатов, который нарушает их пере — дачу дочерним клеткам и в итоге приводит к потере агрегатов в клеточных делениях (для более детального обзора, см. Rikhvanov et al., 2007; Romanova, Chernoff, 2009). Действительно, в моей лаборатории в Технологическом институте Джорджии (Ат — ланта, США) было показано, что снижение уровня или активности Hsp104 в прионо — содержащих клетках сопровождается уменьшением числа и увеличением размера агрегатов Sup35, слитого с флуоресцентным белком (GFP) для микроскопической детекции (Wegrzyn et al., 2001). Варианты приона [PSI+], которые воспроизводятся неэффективно из-за сниженной чувствительностью к Hsp104, также характеризуют — ся увеличенным размером аггрегатов (Borchsenius et al., 2001, 2006).

Таким образом, именно уровень чувствительности к шаперону определяет, бу — дет ли амилоидоподобный агрегат наследоваться по прионовому типу (рис. 4). Этот механизм повидимому является достаточно универсальным по крайней мере для дрожжевых QN-богатых прионов, поскольку все прионы, перечисленные в таблице

1 (с возможным исключением [MCA+]), оказались зависимыми от Hsp104, хотя только [PSI+] и [MCA+] ингибируются сверхпродукцией Hsp104 (см. cсылки в та — блице, и обзоры Rikhvanov et al., 2007; Romanova, Chernoff, 2009).

При «репарации» поврежденных белков Hsp104 взаимодействует с шаперо — нами семейств Hsp70 и Hsp40 (Glover, Lindquist, 1998). Работы моей (Allen et al.,

Рис. 4. «Жизненный цикл» приона [PSI+] и роль шаперона Hsp104. На рисунке изображены современные представления о возникновении, воспроизведении и потере прионовой изо — формы белка Sup35 ([PSI+]) в клетках дрожжей-сахаромицетов, и о роли шаперона Hsp104 в этих процессах. Более подробно см.:

Rikhvanov et al., 2007; Romanova, Chernoff, 2009

2005; Chernoff et al., 1999; Newnam et al., 1999) и других (см. обзоры Rikhvanov et al.,

2007; Romanova, Chernoff, 2009) лабораторий показали, что представители этих же

семейств взаимодействуют с Hsp104 и в процессе воспроизведения прионов. По-казательно, что «репликация» прионов осуществляется теми же шаперонами, кото-рые отвечают за «репарацию» белков, поврежденных при стрессовых воздействиях.

Наши данные также продемонстрировали, что помимо шаперонов, процессы воз-никновения и поддержания прионов модулируются цитоскелетными структурами

(Bailleul et al., 1999; Ganusova et al., 2006) и убиквитиновой системой, вовлеченной

в деградацию белков (Allen et al., 2007).

Биологическая роль прионов и других амлоидов

Прионовые белки дрожжей вовлечены в различные клеточные функции (см. табл. 1) и не обнаруживают гомологии друг с другом. Не ясно, является ли их спо — собность образовывать прионы патологией или выполняет позитивную биологи — ческую функцию. Хотя прионы [PSI+] and [URE3] найдены в большом количестве лабораторных штаммов дрожжей-сахаромицетов, в природных и индустриальных штаммах они обнаружены не были (Chernoff et al., 2000; Nakayashiki et al., 2005; Resende et al., 2003), что скорее свидетельствует в пользу патологического эффекта этих прионов. Однако прион Rnq1 был обнаружен в некоторых индустриальных и природных (клинических) изолятах (Nakayashiki et al., 2005; Resende et al., 2003). Систематический поиск остальных прионов пока не проводился, поэтому вопрос об их распространении остается открытым.

В работах лаборатории Линдквист была предложена гипотеза, рассматрива- ющая прион [PSI+] как фактор, способный демаскировать скрытую изменчивость (например, гены, прерванные нонсенс-мутациями) или генерировать новое разно — образие (белки с добавленными «хвостами») за счет прочтения трансляционных терминаторов вследствие нарушения функции белка в терминации трансляции (True, Lindquist, 2000; True et al., 2004). По мнению авторов, это может приводить к расширению спектра изменчивости, что в свою очередь, предоставляет допол — нительный материал для эволюции и адаптации в экстремальных условиях. Эта гипотеза в основных пунктах повторяет представления об эволюционной роли не- однозначности трансляции, обсуждавшиеся в работах Инге-Вечтомова (см. напр.: Инге-Вечтомов и др., 1994), но в применении конкретно к приону. Прямые дока — зательства этой гипотезы пока отсутствуют: хотя [PSI+] может иметь позитивный эффект на выживание некоторых лабораторных штаммов дрожжей в определен — ных условиях, этот эффект зависит от генотипа и, возможно, определяется тем, что лабораторные штаммы, прошедшие через множественные циклы мутагенеза, на — копили мутации, супрессируемые [PSI+]. Данные о том что [PSI+] влияет на про — граммированное изменение рамки считывания в гене антизима (Namy et al., 2008), регулирующего биосинтез полиаминов, тоже не доказывают его адаптивной роли (cм. Chernoff, 2008). В любом случае гипотеза Линдквист применима исключитель — но к [PSI+] и не объясняет биологической роли других прионов.

С другой стороны, в последнее время стали появляться данные о не только па- тологических, но и позитивных биологических эффектах неприоновых амилоидов (cм. обзор Inge-Vechtomov et al., 2007). Показано, что амилоид может защищать рыбью икру от высыхания (Podrabsky et al., 2001), выполнять роль скаффолда при

синтезе ковалентных полимеров, например меланина, у млекопитающих (Fowler et al., 2006) и обеспечивать контакты между клетками (например, при формирова — нии биофильмов) или клеток с субстратом у микроорганизмов (cм.: Gebbink et al.,

2005; Wang, Chapman, 2008). Секретируемые гормоны иногда хранятся в клетках в амилоидном состоянии (Maji et al., 2009). Хорошо известным примером биологиче — ски (и технологически) используемых амилоидоподобных структур является шелк (Römer, Scheibel, 2008). Недавняя работа лаборатории Э. Канделя (Si et al., 2010) продемонстрировала, что формирование амилоидоподобных структур связвано с памятью у моллюска Aplysia. Последнее наблюдение наиболее интересно, потому что по самому принципу своего образования амилоиды как бы являются «маши — нами» молекулярной памяти (необратимое или труднообратимое изменение кон- формации как бы фиксирует и помнит прежнее воздействие). Наследование дрож — жевых прионов тоже можно трактовать в общем виде как молекулярную память, сохраняющуюся в ряду клеточных поколений.

Внутриклеточные образования, имеющие функциональную или протективную роль, в частности стрессовые гранулы (cм.: Anderson, Kedersha, 2009), также вклю — чают амилоидоподобные белки, контролирующие образование этих структур. Ранее я (Chernoff, 2007b) высказывал гипотезу, предполагающую, что дрожжевые прионы могут образовываться как «сбросы» с конвейера, предназначенного для формирова — ния защитных комплексов, предохраняющих белки от разрушения при неблагопри — ятных условиях. Обычно такие комплексы обратимы и «разбираются» шаперонами после возвращения в нормальные условия, но при образовании слишком устойчи — вой формы (приона) шаперон не может разбить комплекс на мономеры и таким об — разом только стимулирует его «репликацию». Действительно, многие стрессовые воздействия повышают частоту возникновения приона [PSI+] (см. напр., Tyedmers et al., 2008), а длительное хранение при пониженной температуре индуцирует об — разование и некоторых других прионов (cм.: Chernoff, 2007b; Derkatch et al., 2000; Wickner, Chernoff, 1999).

В общем виде прион можно рассматривать как «мутант», наследуемый на белко — вом уровне (cм.: Chernoff, 2001). Соответственно, возможны белковые мутанты как с негативными, так и с позитивными биологическими эффектами. Даже негативные эффекты белковых мутантов могут играть существенную роль в эволюции. Многие (если не все) белки способны формировать амилоиды in vitro, в связи с чем было вы — сказано предположение, что амилоид представляет одну из древнейших белковых конформаций (см. Stefani, Dobson, 2003), существовавшую, возможно, еще в докле — точную эпоху, когда белки не были предохранены компартментализацией от неблаго- приятных условий пребиотического бульона. В этом случае дальнейшая эволюция белков могла в значительной степени направляться необходимостью ограничения амилоидогенного потенциала в условиях клетки. Белки, сохранившие способность об — разовывать и воспроизводить амилоиды в клеточных условиях, возможно, сохранили ее именно потому, что эта способность может играть позитивную биологическую роль. Более того, амилоиды сами способны образовывать мембраноподобные структуры, что делает возможным их участие в возникновении и эволюции самого процесса компарт- ментализации еще до появления липидных мембран (см.: Chernoff, 2004).

По крайней мере, у гриба Podospora прион [Het-s] определенно выполняет адап — тивную функцию благодаря своему участию в контроле цитоплазматической несо — вместимости (см.: Saupe, 2007). Ирония состоит в том, что эта функция достигается

через деструктивное воздействие (при контакте) на мицеллий, не содержащий при- она. Обилие регуляторных белков среди дрожжевых прионов (табл. 1) также свиде- тельствует в пользу возможных адаптивных эффектов прионов у дрожжей. В целом мы находимся только в самом начале пути, и в отношении биологических эффектов прионов можно смело утверждать, что нам видна только вершина айсберга, размеры которого на сегодня невозможно определить.

Другие примеры белковой и/или структурной наследственности

Прионы амилоидного типа не являются единственным примером наследствен — ности, контролируемой не на уровне последовательностей нуклеиновых кислот. Самоактивирующие ковалентные модификации белков тоже в принципе могут на — следоваться. Тот же Уикнер показал, правда в искусственно созданной эксперимен — тальной системе, что вакуолярная протеаза дрожжей, которая расщепляет саму себя и тем самым активирует собственную протеолитическую активность, может, таким образом, тоже контролировать признак, наследуемый на белковом уровне (Roberts, Wickner, 2003). Исходя из расширительного толкования приона как инфекцион — ного (или наследуемого) белка, он отнес это явление также к прионам, что вносит некоторую неоднозначность в терминологию. Наследуемый самоактивирующий — ся белковый каскад, включающий киназу, выявлен также в работах Ф. Силара на Podospora anserina (Kicka et al., 2006).

Другой пример структурной наследованности, так называемый цитотаксис, или наследование поверхностных структур у инфузорий, известен еще с 1960-х гг. (см.: Beisson, 2008). В этом случае в роли структурной «матрицы» выступает целый ком — плекс поверхностных структур. Молекулярный механизм этого феномена до сих пор неполностью расшифрован. Вообще внутриклеточные структуры при делении, как правило, формируются из предшествующих структур, сохраняя таким образом преемственность в ряду поколений. В какой мере эта преемственность носит ма — тричный характер (то есть определяют ли особенности материнской структуры на — прямую особенности дочерней структуры), на сегодня остается открытым вопросом. Интересным примером является центросома, которая при митозе обычно возникает путем деления предсуществующей центросомы. Длительное время обсуждался во — прос о возможности прямого наследования характеристик центросомы (см.: Wilson,

2008). В последнее время интерес к этому вопросу уменьшился в связи с демонстра — цией того факта, что центриоли, ключевые компоненты центросом, могут формиро — ваться заново при сверхпродукции их компонентов (Rodrigues-Martins et al., 2007). Однако следует отметить, что и дрожжевые прионы могут формироваться заново при сверхпродукции прионообразующего белка, как было описано выше. Таким об — разом, возможность формирования центриоли заново в исключительных случаях не исключает возможности того, что в нормальных условиях предсуществующая центриоль может играть роль структурной матрицы для формирования новой.

Заключение

Да простят мне экскурс в диалектику, знакомую (и не всегда милую) наше — му поколению со студенческих лет, но наука действительно часто развивается по спирали, и новое может нести в себе черты хорошо забытого старого. Достаточно

взглянуть на модель геммариев Гааке (рис. 1) и современную модель нуклеиро — ванной полимеризации прионов (рис. 2), чтобы убедиться, что они построены на одних и тех же базовых принципах, при которых структура играет роль матри — цы при образовании новой структуры и конформационные измения комплекса и составляющих его компонентов взаимоопределяют друг друга. Это открывает и теоретическую возможность для наследования некоторых благоприобретен — ных признаков по ламаркистскому типу, через адекватное изменение структур — ных матриц, хотя прямые доказательства такого процесса на сегодня не получены (см.: Chernoff, 2001). Более того, инфекционный характер прионов делает теоре — тически возможным и существование дарвиновских геммул-пангенов, передавае — мых от соматических в зародышевые клетки.

Хотя вклад белковой и структурной наследственности в эвлюцию пока еще не — возможно точно измерить, растущее число примеров указывает, что этот вклад может оказаться очень значительным. Невозможно представить, что явления структурной наследственности свойственны только грибам и простейшим, хотя бы и потому, что первый пример инфекционного приона обнаружен как раз у млекопитающих. Ско — рее, хорошая генетическая изученность дрожжей-сахаромицетов позволила выявить и исследовать феномен, который, почти несомненно, имеет широкое распростране — ние. Если так, то, по всей видимости, на каком-то этапе мы должны будем признать, что прочтение последовательности ДНК в принципе не может предоставить всю ин — формацию, необходимую для воспроизведения фенотипа организма и что клониро — вание животных или человека не обязательно воспроизводит полностью идентичных индивидуумов. Пройдет время, пока опьяненные успехами геномики исследователи осознают необходимость расшифровки структурного кода в дополнение к коду по — следовательностей. Но уже сейчас можно заключить, что этого не избежать.

Благодарности

Эта работа оказалась возможной благодаря приглашению организаторов кон — ференции «Чарльз Дарвин и современная биология», а также финансовой поддерж — ке Национального фонда научных исследований США (грант MCB-0614772). В за — ключение автор хотел бы также поблагодарить своих учителей и всех бывших и нынешних сотрудников своей лаборатории, а также коллег из других организаций, чьи результаты использованы и цитируются в статье.

Литература

Гааке В. Происхождение животного мира. М. : Терра, 1996. 634 с.

Инге-Вечтомов С. Г. Реверсии к прототрофности у дрожжей, нуждающихся в аденине //

Вестник Лениградского университета. 1964. Сер. 3 (Биол.). № 2. С. 112–116.

Инге-Вечтомов С. Г., Андрианова В. М. Рецессивные суперсупрессоры у дрожжей // Генетика.

1970. Т. 6. С. 103–116.

Инге-Вечтомов С. Г., Миронова Л. Н., Тер-Аванесян М. Д. Неоднозначность трансляции: эука-риотическая версия? // Генетика. 1994. Т. 30. С. 1022–1035.

Aigle M., Lacroute F. Genetical aspects of [URE3], a non-mitochondrial, cytoplasmically inherited

mutation in yeast // Molecular & General Genetics. 1975. Vol. 136. P. 327–335.

Alberti S., Halfmann R., King O., Kapila A., Lindquist S. A systematic survey identifies prions and

illuminates sequence features of prionogenic proteins // Cell. 2009. Vol. 137. P. 146–158.

Allen K. D., Wegrzyn R. D., Chernova T. A., Müller S., Newnam G. P., Winslett P. A., Wittich K. B., Wilkinson K. D., Chernoff Y. O. Hsp70 chaperones as modulators of prion life cycle: novel ef — fects of Ssa and Ssb on the Saccharomyces cerevisiae prion [PSI+] // Genetics. 2005. Vol. 169. P. 1227–1242.

Allen K. D., Chernova T. A., Tennant E. P., Wilkinson K. D., Chernoff Y. O. Effects of the ubiquitin sys — tem alterations on the de novo formation and loss of a yeast prion // The Journal of Biological Chemistry. 2007. Vol. 282. P. 3004–3013.

Alper T., Cramp W. A., Haig D. A., Clarke M. C. Does the agent of scrapie replicate without nucleic acid? // Nature. 1967. Vol. 214. P. 764–766.

Anderson P., Kedersha N. RNA granules: post-transcriptional and epigenetic modulators of gene expression // Nature Reviews Molecular & Cell Biology. 2009. Vol. 10. P. 430–436.

Bailleul P. A., Newnam G. P., Steenbergen J. N., Chernoff Y. O. Genetic study of interactions between the cytoskeletal assembly protein Sla1 and prion-forming domain of the release factor Sup35 (eRF3) in Saccharomyces cerevisiae // Genetics. 1999. Vol. 153. P. 81–94.

Beisson J. Preformed cell structure and cell heredity // Prion. 2008. Vol. 2. P. 1–8.

Bolton D. C., McKinley M. P., Prusiner S. B. Identification of a protein that purifies with the scrapie prion // Science. 1982. Vol. 218. P. 1309–1311.

Borchsenius A. S., Wegrzyn R. D., Newnam G. P., Inge-Vechtomov S. G., Chernoff Y. O. Yeast prion protein derivative defective in aggregate shearing and production of new seeds // The EMBO Journal. 2001. Vol. 20. P. 6683–6691.

Borchsenius A. S., Müller S., Newnam G. P., Inge-Vechtomov S. G., Chernoff Y. O. Prion variant main — tained only at high levels of the Hsp104 disaggregase // Current Genetics. 2006. Vol. 49. P. 21–29.

Brachmann A., Baxa U., Wickner R. B. Prion generation in vitro: amyloid of Ure2p is infectious // The EMBO Journal. 2005. Vol. 24. P. 3082–3092.

Castilla J., Saá P., Hetz C., Soto C. In vitro generation of infectious scrapie prions // Cell. 2005.

Vol. 121. P. 195–206.

Chernoff Y. O. Mutation processes at the protein level: is Lamarck back? // Mutation Research.

2001. Vol. 488. P. 39–64.

Chernoff Y. O. Amyloidogenic domains, prions and structural inheritance: rudiments of early life or recent acquisition? // Current Opinion in Chemical Biology. 2004. Vol. 8. P. 665–671.

Chernoff Y. O. (ed.) Protein-based inheritance. Austin, TX : Landes Bioscience, 2007a. 154 p.

Chernoff Y. O. Stress and prions: lessons from the yeast model // FEBS Letters. 2007b. Vol. 581.

P. 3695–3701.

Chernoff Y. O. Prion: disease or relief? // Nature Cell Biology. 2008. Vol. 10. P. 1019–1021.

Chernoff Y. O., Derkach I. L., Inge-Vechtomov S. G. Multicopy SUP35 gene induces de-novo ap — pearance of psi-like factors in the yeast Saccharomyces cerevisiae // Current Genetics. 1993. Vol. 24. P. 268–270.

Chernoff Y. O., Lindquist S. L., Ono B., Inge-Vechtomov S. G., Liebman S. W. Role of the chaperone protein Hsp104 in propagation of the yeast prion-like factor [psi+] // Science. 1995. Vol. 268. P. 880–884.

Chernoff Y. O., Newnam G. P., Kumar J., Allen K., Zink A. D. Evidence for a “protein mutator” in yeast: role of the Hsp70-related chaperone Ssb in formation, stability and toxicity of the [PSI] prion // Molecular and Cellular Biology. 1999. Vol. 19. P. 8103–8112.

Chernoff Y. O., Galkin A. P., Lewitin E., Chernova T. A., Newnam G. P., Belenkiy S. M. Evolutionary conservation of prion-forming abilities of the yeast Sup35 protein // Molecular Microbiology.

2000. Vol. 35. P. 865–876.

Cox B. S. PSI, a cytoplasmic suppressor of super-suppressor in yeast // Heredity. 1965. Vol. 20.

P. 505–521.

Cox B. S., Tuite M. F., McLaughlin C. S. The psi factor of yeast: a problem in inheritance // Yeast.

1988. Vol. 4. P. 159–178.

Darwin C. R. The variation of animals and plants under domestication. N. Y. : Abrahams Magazine

Service, 1972. Vol. 1. XIV, 473 p.; Vol. 2. X, 495 p.

Derkatch I. L., Chernoff Y. O., Kushnirov V. V., Inge-Vechtomov S. G., Liebman S. W. Genesis and variability of [PSI] prion factors in Saccharomyces cerevisiae // Genetics. 1996. Vol. 144. P. 1375–1386.

Derkatch I. L., Bradley M. E., Zhou P., Chernoff Y. O., Liebman S. W. Genetic and environmental factors affecting the de novo appearance of the [PSI+] prion in Saccharomyces cerevisiae // Genetics. 1997. Vol. 147. P. 507–519.

Derkatch I. L., Bradley M. E., Masse S. V., Zadorsky S. P., Polozkov G. V., Inge-Vechtomov S. G., Lieb — man S. W. Dependence and independence of [PSI+] and [PIN+]: a two-prion system in yeast? // The EMBO Journal. 2000. Vol. 19. P. 1942–1952.

Derkatch I. L., Bradley M. E., Hong J. Y., Liebman S. W. Prions affect the appearance of other prions:

the story of [PIN+] // Cell. 2001. Vol. 106. P. 171–182.

Doel S. M., McCready S. J., Nierras C. R., Cox B. S. The dominant PNM2- mutation which eliminates the psi factor of Saccharomyces cerevisiae is the result of a missense mutation in the SUP35 gene // Genetics. 1994. Vol. 137. P. 659–670.

Du Z., Park K. W., Yu. H., Fan Q., Li L. Newly identified prion linked to the chromatin-remodeling factor Swi1 in Saccharomyces cerevisiae // Nature Genetics. 2008. Vol. 40. P. 460–465.

Fowler D. M., Koulov A. V., Alory-Jost C., Marks M. S., Balch W. E., Kelly J. W. Functional amyloid formation within mammalian tissue // PLoS Biology. 2006. Vol. 4. P. e6.

Frost B., Diamond M. I. The expanding realm of prion phenomena in neurodegenerative disease // Prion. 2009. Vol. 3. P. 74–77.

Ganusova E. E., Ozolins L. N., Bhagat S., Newnam G. P., Wegrzyn R. D., Sherman M. Y., Chernoff Y. O.

Modulation of prion formation, aggregation and toxicity by the actin cytoskeleton in yeast // Molecular and Cellular Biology. 2006. Vol. 26. P. 617–629.

Gebbink M. F., Claessen D., Bouma B., Dijkhuizen L., Wösten H. A. Amyloids — a functional coat for microorganisms // Nature Review Microbiology. 2005. Vol. 3. P. 333–341.

Glover J. R., Lindquist S. Hsp104, Hsp70, and Hsp40: a novel chaperone system that rescues previ — ously aggregated proteins // Cell. 1998. Vol. 94. P. 73–82.

Glover J. R., Kowal A. S., Schirmer E. C., Patino M. M., Liu J. J., Lindquist S. Self-seeded fibers formed by Sup35, the protein determinant of [PSI+], a heritable prion-like factor of S. cerevisiae // Cell. 1997. Vol. 89. P. 811–819.

Griffith J. S. Self-replication and scrapie // Nature. 1967. Vol. 215. P. 1043–1044.

Inge-Vechtomov S. G., Zhouravleva G. A., Chernoff Y. O. Biological roles of prion domains // Prion.

2007. Vol. 1. P. 228–235.

Irvine G. B., El-Agnaf O. M., Shankar G. M., Walsh D. M. Protein aggregation in the brain: the mo- lecular basis for Alzheimer’s and Parkinson’s diseases // Molecular Medicine. 2008. Vol. 14. P. 451–464.

Kane M. D., Lipinski W. J., Callahan M. J., Bian F., Durham R. A., Schwarz R. D.,Roher A. E., Walk — er L. C. Evidence for seeding of beta-amyloid by intracerebral infusion of Alzheimer brain ex — tracts in beta-amyloid precursor protein-transgenic mice // Journal of Neuroscience. 2000. Vol. 20. P. 3606–3611.

Kicka S., Bonnet C., Sobering A. K., Ganesan L. P., Silar P. A mitotically inheritable unit containing a MAP kinase module // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2006. Vol. 103. P. 13445–13450.

Kim J. I., Cali I., Surewicz K., Kong Q., Raymond G. J., Atarashi R., Race B., Qing L., Gambetti P., Caughey B., Surewicz W. K. Mammalian prions generated from bacterially expressed prion pro — tein in the absence of any mammalian cofactors // The Journal of Biological Chemistry. 2010. Vol. 285. P. 14083–14087.

King C. Y., Diaz-Avalos R. Protein-only transmission of three yeast prion strains // Nature. 2004.

Vol. 428. P. 319–323.

King C. Y., Tittmann P., Gross H., Gebert R., Aebi M., Wüthrich K. Prion-inducing domain 2–114 of yeast Sup35 protein transforms in vitro into amyloid-like filaments // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1997. Vol. 94. P. 6618–6622.

Krishnan R., Lindquist S. L. Structural insights into a yeast prion illuminate nucleation and strain diversity // Nature. 2005. Vol. 435. P. 765–772.

Kushnirov V. V., Ter-Avanesyan M. D., Telckov M. V., Surguchov A. P., Smirnov V. N., G. Nucleotide se — quence of the SUP2 (SUP35) gene of Saccharomyces cerevisiae // Gene.1988. Vol. 66. P. 45–54.

Kushnirov V. V., Ter-Avanesyan M. D. Structure and replication of yeast prions // Cell. 1998. Vol. 94.

P. 13–16.

Lacroute F. Non-Mendelian mutation allowing ureidosuccinic acid uptake in yeast // Journal of

Bacteriology. 1971. Vol. 106. P. 519–522.

Lansbury P. T. Jr., Caughey B. The chemistry of scrapie infection: implications of the ‘ice 9’ meta — phor // Chemistry & Biology. 1995. Vol. 2. P. 1–5.

Lindquist S., Patino M. M., Chernoff Y. O., Kowal A. S., Singer M. A., Lee K.-H., Blake T., Liebman S. W.

The role of Hsp104 in stress tolerance and [PSI+] propagation in Saccharomyces cerevisiae //

Cold Spring Harbor Symposium on Quantitative Biology. 1995. Vol. 60. P. 451–460.

Luheshi L. V., Dobson C. M. Bridging the gap: from protein misfolding to protein misfolding dis — eases // FEBS Lett. 2009. Vol. 583. P. 2581–2586.

Maji S. K., Perrin M. H., Sawaya M. R., Jessberger S., Vadodaria K., Rissman R. A., Singru P. S., Nils — son K. P., Simon R., Schubert D., Eisenberg D., Rivier J., Sawchenko P., Vale W., Riek R. Functional amyloids as natural storage of peptide hormones in pituitary secretory granules // Science.

2009. Vol. 325. P. 328–332.

Masison D. C., Wickner R. B. Prion-inducing domain of yeast Ure2p and protease resistance of

Ure2p in prion-containing cells // Science. 1995. Vol. 270. P. 93–95.

Michelitsch M. D., Weissman J. S. A census of glutamine/asparagine-rich regions: implications for their conserved function and the prediction of novel prions // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2000. Vol. 97. P. 11910–11915.

Nakayashiki T., Kurtzman C. P., Edskes H. K., Wickner R. B. Yeast prions [URE3] and [PSI+] are

diseases // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2005. V. 102. P. 10 575–10 580.

Namy O., Galopier A., Martini C., Matsufuji S., Fabret C., Rousset J. P. Epigenetic control of polyamines by the prion [PSI+] // Nature Cell Biology. 2008. Vol. 10. P. 1069–1075.

Nelson R., Sawaya M. R., Balbirnie M., Madsen A. Ø., Riekel C., Grothe R., Eisenberg D. Structure of the cross-beta spine of amyloid-like fibrils // Nature. 2005. Vol. 435. P. 773–778.

Nemecek J., Nakayashiki T., Wickner R. B. A prion of yeast metacaspase homolog (Mca1p) detected by a genetic screen // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2009. Vol. 106. P. 1892–1896.

Newnam G. P., Wegrzyn R. D., Lindquist S. L., Chernoff Y. O. Antagonistic interactions between yeast chaperones Hsp104 and Hsp70 /le=’mso-spacerun:yes’> to protein misfolding dis — eases // FEBS Lett. 2009. Vol. 583. P. 2581–2586.

Maji S. K., Perrin M. H., Sawaya M. R., Jessberger S., Vadodaria K., Rissman R. A., Singru P. S., Nils — son K. P., Simon R., Schubert D., Eisenberg D., Rivier J., Sawchenko P., Vale W., Riek R. Functional amyloids as natural storage of peptide hormones in pituitary secretory granules // Science.

2009. Vol. 325. P. 328–332.

Masison D. C., Wickner R. B. Prion-inducing domain of yeast Ure2p and protease resistance of

Ure2p in prion-containing cells // Science. 1995. Vol. 270. P. 93–95.

Michelitsch M. D., Weissman J. S. A census of glutamine/asparagine-rich regions: implications for their conserved function and the prediction of novel prions // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2000. Vol. 97. P. 11910–11915.

Nakayashiki T., Kurtzman C. P., Edskes H. K., Wickner R. B. Yeast prions [URE3] and [PSI+] are

diseases // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2005. V. 102. P. 10 575–10 580.

Namy O., Galopier A., Martini C., Matsufuji S., Fabret C., Rousset J. P. Epigenetic control of polyamines by the prion [PSI+] // Nature Cell Biology. 2008. Vol. 10. P. 1069–1075.

Nelson R., Sawaya M. R., Balbirnie M., Madsen A. Ø., Riekel C., Grothe R., Eisenberg D. Structure of the cross-beta spine of amyloid-like fibrils // Nature. 2005. Vol. 435. P. 773–778.

Nemecek J., Nakayashiki T., Wickner R. B. A prion of yeast metacaspase homolog (Mca1p) detected by a genetic screen // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2009. Vol. 106. P. 1892–1896.

Newnam G. P., Wegrzyn R. D., Lindquist S. L., Chernoff Y. O. Antagonistic interactions between yeast chaperones Hsp104 and Hsp70 />Roberts B. T., Wickner R. B. Heritable activity: a prion that propagates by covalent autoactiva — tion // Genes & Development. 2003. Vol. 17. P. 2083–2087.

Rodrigues-Martins A., Riparbelli M., Callaini G., Glover D. M., Bettencourt-Dias M. Revisiting the role of the mother centriole in centriole biogenesis // Science. 2007. Vol. 316. P. 1046–1050.

Romanova N. V., Chernoff Y. O. Hsp104 and prion propagation // Protein and Peptide Letters.

2009. Vol. 16. P. 598–605.

Römer L., Scheibel T. The elaborate structure of spider silk: structure and function of a natural high performance fiber // Prion. 2008. Vol. 2. P. 154–161.

Sailer A., Büeler H., Fischer M., Aguzzi A., Weissmann C. No propagation of prions in mice devoid of

PrP // Cell. Vol. 77. 1994. P. 967–968.

Saupe S. J. A short history of small s: a prion of the fungus Podospora anserina // Prion. 2007. Vol. 1.

P. 110–115.

Schlumpberger M., Wille H., Baldwin M. A., Butler D. A., Herskowitz I., Prusiner S. B. The prion do — main of yeast Ure2p induces autocatalytic formation of amyloid fibers by a recombinant fusion protein // Protein Science. 2000. Vol. 9. P. 440–451.

Si K., Choi Y. B., White-Grindley E., Majumdar A., Kandel E. R. Aplysia CPEB can form prion-like multimers in sensory neurons that contribute to long-term facilitation // Cell. 2010. Vol. 140. P. 421–435.

Sondheimer N., Lopez N., Craig E. A., Lindquist S. The role of Sis1 in the maintenance of the [RNQ+]

prion // The EMBO Journal. 2001. Vol. 20. P. 2435–2442.

Sparrer H. E., Santoso A., Szoka F. C. Jr., Weissman J. S. Evidence for the prion hypothesis: induc — tion of the yeast [PSI+] factor by in vitro-converted Sup35 protein // Science. 2000. Vol. 289. P. 595–599.

Stansfield I., Jones K. M., Kushnirov V. V., Dagkesamanskaya A. R., Poznyakovski A. I., Paushkin S. V., Nierras C. R., Cox B. S., Ter-Avanesyan M. D., Tuite M. F. The products of the SUP45 (eRF1) and SUP35 genes interact to mediate translation termination in Saccharomyces cerevisiae // The EMBO Journal. 1995. Vol. 14. P. 4365–4373.

Stefani M., Dobson C. M. Protein aggregation and aggregate toxicity: new insights into protein folding, misfolding diseases and biological evolution // Journal of Molecular Medicine. 2003. Vol. 81. P. 678–699.

Tanaka M., Chien P., Naber N., Cooke R., Weissman J. S. Conformational variations in an infectious protein determine prion strain differences // Nature. 2004. Vol. 428. P. 323–328.

Taylor K. L., Cheng N., Williams R. W., Steven A. C., Wickner R. B. Prion domain initiation of amyloid formation in vitro from native Ure2p // Science. 1999. Vol. 283. P. 1339–1343.

Ter-Avanesyan M. D., Dagkesamanskaya A. R., Kushnirov V. V., Smirnov V. N. The SUP35 omnipo — tent suppressor gene is involved in the maintenance of the non-Mendelian determinant [PSI+] in the yeast Saccharomyces cerevisiae // Genetics. 1994. Vol. 137. P. 671–676.

True H. L., Lindquist S. L. A yeast prion provides a mechanism for genetic variation and phenotypic diversity // Nature. 2000. Vol. 407. P. 477–483.

True H. L., Berlin I., Lindquist S. L. Epigenetic regulation of translation reveals hidden genetic varia — tion to produce complex traits // Nature. 2004. Vol. 431. P. 184–187.

Tyedmers J., Madariaga M. L., Lindquist S. Prion switching in response to environmental stress // PLoS Biology. 2008. Vol. 6. P. e294.

Wang X., Chapman M. R. Curli provide the template for understanding controlled amyloid propaga — tion // Prion. 2008. Vol. 2. P. 57–60.

Wang F., Wang X., Yuan C. G., Ma J. Generating a prion with bacterially expressed recombinant prion protein // Science. 2010. Vol. 327. P. 1132–1135.

Wegrzyn R. D., Bapat K., Newnam G. P., Zink A. D., Chernoff Y. O. Mechanism of prion loss after

Hsp104 inactivation in yeast // Molecular and Cellular Biology. 2001. Vol. 21. P. 4656–4669.

Weissmann C. The state of the prion // Nature Review Microbiology. 2004. Vol. 2. P. 861–871.

Wickner R. B. [URE3] as an altered URE2 protein: evidence for a prion analog in Saccharomyces

cerevisiae // Science. 1994. Vol. 264. P. 566–569.

Wickner R. B., Chernoff Y. O. Prions of fungi: [URE3], [PSI] and [Het-s] discovered as heritable

traits // Prion Biology and Diseases / ed. by Prusiner S. B. Cold Spring Harbor, N. Y. : Cold

Spring Harbor Laboratory Press, 1999. P. 229–272.

Wickner R. B., Shewmaker F., Kryndushkin D., Edskes H. K. Protein inheritance (prions) based on

parallel in-register beta-sheet amyloid structures // Bioessays. 2008. Vol. 30. P. 955–964.

Williams A. J., Paulson H. L. Polyglutamine neurodegeneration: protein misfolding revisited //

Trends in Neuroscience. 2008. Vol. 31. P. 521–528.

Wilson P. G. Centriole inheritance // Prion. 2008. Vol. 2. P. 9–16.

Yankner B. A., Lu T. Amyloid beta-protein toxicity and the pathogenesis of Alzheimer disease //

The Journal of Biological Chemistry. 2009. Vol. 284. P. 4755–4759.

Zhouravleva G., Frolova L., Le Goff X., Le Guellec R., Inge-Vechtomov S., Kisselev L., Philippe M. Ter-mination of translation in eukaryotes is governed by two interacting polypeptide chain release

factors, eRF1 and eRF3 // The EMBO Journal. 1995. Vol. 14. P. 4065–4072.

Protein-Based Inheritance and Evolution

Yu. O. Chernoff

Georgia Institute of Technology,

Atlanta, USA; yury. chernoff@biology. gatech. edu

Charles Darwin and his followers thought that small particles (gemmules or gems) assembled into the larger structures serve as carriers of heritable information. Recently accumulated data indeed show that structural “templates” of protein nature play an important role in inheritance. An example of structural templates is provided by amyloid — based prions, that manifest themselves as infectious agents of neurodegenerative diseases in mammals and heritable determinants in yeast and other fungi. Amyloids are non-covalent β-rich fibrous protein polymers, reproduced via nucleated polymerization.

Chaperone machinery of protein assembly/disassembly and stress defense controls prion

propagation. There are also other systems of structural inheritance, such as “templated”

assembly of the surface structures in Protozoa. These data point to the potential role of

the direct continuity of protein-based structures in evolution.

Keywords: Amyloid, gemmula, pangenesis, prion, yeast.

Материал взят из: Чарльз Дарвин и современная биология. Труды Международной научной конференции (21–23 сентября 2009 г., Санкт — Петербург)