Еволюцията на прионите/ Prion Evolution

Прионите, известни за повечето хора като причинителите на „луда крава” или Кройцфелд-Якоб, се считат за инфекция, но за разлика от вирусите и бактериите не притежават генетичен материал (ДНК или в някои вируси, РНК ). Някои протеини необходими за клетъчната функция притежават структурни елементи, които в определен момент могат да се сгънат погрешно и да превърнат протеина в прион. Веднъж създадени, прионите „инфектират” съседни клетки и провокират погрешното сгъване на нормални протеини там. Тази верижна реакция причинява утаяването на прионите в така наречените амилоидни влакна и причинява заболяване. В нисшите организми като дрождите досега са открити 25 протеини-приони, които се считат за рядко заболяване на някои щамове дрожди (срещат се в една на милион клетки) или артефакт от изкуствените лабораторни условия, в които се поддържат тези щамове. Въпреки това, всички приони открити досега в дрождите в нормални условия изпълняват роли в контролирането на РНК, ДНК и предаването на сигнали в клетката. Съвпадението във функцията на прионите навежда проф. Сюзън Линдквист на мисълта, че може би те играят важна роля в наследствеността и еволюцията на организмите, в които се размножават. В статия публикувана тази седмица в Nature, учени от нейната лаборатория показват, че когато протеинът Sup35 се превърне в приона Psi, генетичната информация пренасяна чрез РНК се прочита от край до край, вместо молекулите отговорни за нейният прочит и „превод” да спират след така наречения стоп кодон, или края на всеки ген. По този начин, от същата генетична информация се появява допълнително разнообразие от протеини, носещи разнообразни функции. Докато повечето мутации се отразяват на отделни гени и се натрупват с всяко клетъчно делене, прионите като Psi имат възможността да контролират прочита на много гени наведнъж и да допринесат за бърза еволюция. Учените показват, че тази допълнителна генетична информация, разкрита в присъствието на приони е особено важна в тежки условия на естествената среда и може би помага на колонията клетки да увеличи шансовете си за оцеляване. Не винаги клетките носещи приони оцеляват по-добре от дивите щамове, но ако новите гени им дадат предимство, прионите се прехвърлят също както генетичния материал в дъщерните клетки по време на клетъчното делене. По този начин, информацията носена от протеини вместо нуклеинови киселини (ДНК и РНК) се предава на следващото поколение. Лабораторията на проф. Линдквист работи и с човешки заболявания като Алцхаймер, Паркинсон и Кройцфелд-Якоб, които са причинени от погрешно сгъване на нормални протеини и се надява че изследванията на прионите в дрождите ще допринесат за откритие на лекарства срещу тези болести.

Видео от лабораторията на проф. Линдквист показва как разгънатите протеини се превръщат в амилоидни влакна./ Video by the Lindquist lab showing how unfolded proteins turn into amyloid fibers.


Prions, known to most as the causative agents of mad cow disease and Creutzfeldt-Jacob in humans, are regarded as infectious agents but unlike viruses and bacteria they do not carry any genetic material (DNA or in some viruses, RNA). Some proteins necessary for normal cellular function have structural elements which can cause them to misfold and become a prion. Once formed, prions 'infect' neighbouring cells and provoke the misfolding of normal proteins. This chain reaction causes the prions to eventually clump together in amyloid fibers, which cause disease. In lower organisms such as yeast, the 25 prion proteins discovered so far are considered a rare disease (they occur in 1 in a million cells) or an artifact of the artificial laboratory culture in which these organisms are maintained. Despite this popular belief, in normal conditions all yeast prions are involved in RNA and DNA binding, as well as cell signalling. This coincidence in the prions' function led Prof. Susan Lindquist to suspect that they may play an important role in heredity and evolution of the organisms in which they multiply. In an article published in Nature this week, scientists from the Lindquist lab report that when the yeast protein Sup35 turns into the prion Psi, it causes the genetic information carried by the spool of RNA to be read end-to-end by the molecules responsible for its translation, rather than having the read-through stop at the end of every gene. This allows the same genetic information to encode for additional proteins with new and various functions. While most mutations affect single genes and accumulate with each division of the cell, prions like Psi have the ability to control many genes at once and contribute to rapid evolution. The researchers show that the additional genetic information, revealed in the presence of prions is particularly important when cells are exposed to harsh environmental conditions and may increase a strain's chance of survival. Not all cells carrying prions have an advantage over wild strains, but if the new genes do contribute to their survival, the prions can be transferred to daughter cells during cellular division, just as genetic information is inherited. In this way, information carried by proteins, rather than DNA and RNA becomes heritable. Research in the Lindquist lab is focused on human diseases, which are caused by misfolded proteins and the scientists hope that their studies in simpler organisms like yeast will help our understanding of Alzheimer's, Parkinson's and Creutzfeldt-Jacob disease and lead to the discovery of new drugs.