出芽酵母の細胞極性化機構におけるタンパク質コピー数の重複性と役割

Nature Communications volume 14、記事番号: 6504 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

自己組織化された細胞機能はどのようにして進化し、摂動に適応し、新しいサブ機能を獲得できるのでしょうか? 進化細胞生物学のこれらの基本的な疑問への答えを前進させるために、具体的な例として、出芽酵母の細胞極性機構を分析します。 この細胞モジュールは興味深い回復力を示します。遺伝的混乱下でも機能し続け、その主要な構成要素の 1 つが欠失しても迅速かつ再現性よく回復します。 モデリング、概念理論、実験を組み合わせて、細胞分極の根底にあるタンパク質ネットワーク内に複数の冗長な自己組織化メカニズムが共存し、モジュールの回復力と適応性に関与していることを提案します。 極性確立のメカニズムの理解に基づいて、足場タンパク質は既存のネットワークに新しい接続を導入することでメカニズムの冗長性を高め、それによって他のネットワーク構成要素の進化可能性を高めることができると仮説を立てます。 さらに、私たちの研究は、複雑で冗長な細胞モジュールがより原始的な祖先の形態からどのように進化したのかについての展望を与えてくれます。

生物システムは自己組織化されています。 その機能は、物理的および化学的プロセスによって制御される多くのコンポーネントの集合的な相互作用によって現れます。 このような集団的 (自己組織化された) 機能はどのように進化し、必須コンポーネントの喪失などの強い摂動に適応するのでしょうか 1,2?

このような適応の顕著な例は、S. cerevisiae (出芽酵母) の Cdc42 細胞分極機構です。 細胞極性化は、膜上にCdc42濃度が高い極性ゾーンの形成を通じて出芽酵母の細胞分裂を指示します（図1a〜cを参照）。 Cdc42相互作用ネットワークの主要なプレーヤーであるBem1のノックアウト後（図1d）、細胞はこのネットワークの別の構成要素の喪失により分極および分裂する能力を取り戻します。 これは急速に (100 世代以内に) 再現性よく起こります 3。 この回復がどのように機能するかはまだ不明です。

Cdc42 の最初の均一な分布から始まり、細胞膜上の高濃度の活性 Cdc42 を特徴とする極性ゾーンが形成されます。 細胞内には指向性輸送の 2 つの経路があります。 b 空間的に分離された付着 (赤い矢印) ゾーンと剥離 (青い矢印) ゾーンによって維持される濃度勾配によって駆動されるサイトゾルの拡散流束。 c 小胞輸送（エンドサイトーシスのリサイクル）は、極性方向のアクチンケーブルに沿って行われます。 活性型 Cdc42 は、細胞質拡散 (Cdc42 を補充する下流エフェクターを補充することによって) と小胞輸送 (アクチン重合を開始する Bni1 を補充することによって) の両方を指示します。 d 活性調節因子（GEF、GAP）および足場タンパク質Bem1を含む、GTPase Cdc42周辺の分子相互作用ネットワーク（一部のコンポーネントは視覚的に明確にするために複数回表示されており、時系列順を意味するものではありません）。 効果的なリクルート期間は、Cdc42の相互作用パートナー、例えばCla413、31、73およびRsr186によって促進される、Cdc42-GTPによって指示される膜へのCdc42のリクルートを説明する(e)。 モデルと数学的実装の詳細については、「方法」と補足ノート 1 で説明されています。簡単にするために、Cdc42 エフェクター複合体は明示的に考慮していません。 これらの複合体を考慮したモデル拡張では、結果は大きく変わりませんでした。

出芽酵母の細胞極性は、中心極性タンパク質Cdc42の周りの複雑な相互作用ネットワークによって組織されます（図1d）。 Cdc42 は、活性 (GTP 結合) 状態と不活性 (GDP 結合) 状態の間を繰り返す GTPase です。 これら 2 つの状態の主な特徴は、活性型 Cdc42 は膜に強く結合し、多くの下流因子をリクルートするのに対し、不活性型 Cdc42-GDP は膜から細胞質ゾルに分離して自由に拡散できることです。