출아 효모의 세포 분극화 기계에서 단백질 카피 수의 중복성과 역할

Nature Communications 14권, 기사 번호: 6504(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

자가 조직화된 세포 기능은 어떻게 진화하고, 교란에 적응하고, 새로운 하위 기능을 획득할 수 있습니까? 진화 세포 생물학의 이러한 기본적인 질문에 답하는 데 진전을 이루기 위해 우리는 구체적인 예로서 Saccharomyces cerevisiae의 세포 극성 메커니즘을 분석합니다. 이 세포 모듈은 흥미로운 탄력성을 보여줍니다. 유전적 교란 하에서도 계속 작동하며 핵심 구성 요소 중 하나가 삭제되더라도 신속하고 재현성 있게 복구됩니다. 모델링, 개념 이론 및 실험의 조합을 사용하여 우리는 세포 분극의 기초가 되는 단백질 네트워크 내에 다중 중복 자기 조직화 메커니즘이 공존하고 모듈의 탄력성과 적응성을 담당한다는 것을 제안합니다. 극성 설정에 대한 기계적 이해를 바탕으로 우리는 기존 네트워크에 새로운 연결을 도입함으로써 스캐폴드 단백질이 메커니즘의 중복성을 증가시켜 다른 네트워크 구성 요소의 진화 가능성을 높일 수 있다는 가설을 세웠습니다. 더욱이, 우리의 연구는 복잡하고 중복된 세포 모듈이 보다 기초적인 조상 형태에서 어떻게 진화했을 수 있는지에 대한 관점을 제공합니다.

생물학적 시스템은 스스로 조직되어 있습니다. 이들의 기능은 물리적 및 화학적 과정에 의해 제어되는 많은 구성 요소의 집단적 상호 작용에 의해 나타납니다. 이러한 집단적(자기 조직적) 기능은 필수 구성 요소의 손실과 같은 강력한 동요에 어떻게 진화하고 적응합니까?

이러한 적응의 놀라운 예는 S. cerevisiae(싹 트는 효모)의 Cdc42 세포 분극 기계입니다. 세포 분극은 막에 Cdc42 농도가 높은 극성 구역의 형성을 통해 출아 효모의 세포 분열을 지시합니다 (그림 1a-c 참조). Cdc42 상호작용 네트워크(그림 1d)의 주요 플레이어인 Bem1의 녹아웃 이후, 세포는 이 네트워크의 다른 구성 요소의 손실로 인해 분극화 및 분할 능력을 회복합니다. 이는 신속하게(100세대 이내) 재현 가능하게 발생합니다3. 이 복구가 어떻게 작동하는지 불분명한 상태로 남아 있습니다.

a Cdc42의 초기 균질 분포에서 시작하여 원형질막에 높은 농도의 활성 Cdc42로 표시되는 극성 영역이 형성됩니다. 세포에는 두 가지 방향성 수송 경로가 있습니다. b 공간적으로 분리된 부착(빨간색 화살표) 및 분리(파란색 화살표) 영역에 의해 유지되는 농도 구배에 의해 구동되는 세포질 확산 플럭스; c 소포 수송(세포내이입 재활용)은 극성 지향 액틴 케이블을 따라 진행됩니다. 활성 Cdc42는 세포질 확산(Cdc42를 모집하는 하류 효과기를 모집함으로써)과 소포 수송(액틴 중합을 시작하는 Bni1을 모집함으로써)을 모두 지시합니다. d 활동 조절자(GEF, GAP) 및 비계 단백질 Bem1을 포함하는 GTPase Cdc42 주변의 분자 상호 작용 네트워크(일부 구성 요소는 연대순을 의미하지 않고 시각적 명확성을 위해 여러 번 표시됨). 효과적인 모집 기간은 Cdc42의 상호 작용 파트너(예: Cla413,31,73 및 Rsr186(e))에 의해 촉진된 Cdc42-GTP가 지시하는 막에 대한 Cdc42 모집을 설명합니다. 모델 및 수학적 구현에 대한 자세한 내용은 방법 및 보충 참고 사항 1에 설명되어 있습니다. 단순화를 위해 Cdc42 효과기 복합체를 명시적으로 설명하지 않습니다. 해당 단지를 설명하는 모델 확장은 결과를 크게 변경하지 않았습니다.

출아 효모의 세포 분극화는 중심 극성 단백질 Cdc42 주위의 복잡한 상호 작용 네트워크(그림 1d)에 의해 구성됩니다. Cdc42는 활성(GTP 바인딩) 상태와 비활성(GDP 바인딩) 상태 사이를 순환하는 GTPase입니다. 이 두 상태의 주요 특징은 활성 Cdc42가 막에 강하게 결합되어 많은 하류 인자를 모집하는 반면, 비활성 Cdc42-GDP는 막에서 세포질로 분리되어 자유롭게 확산될 수 있다는 것입니다.