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受损蛋白保留于母细胞-酵母不对称分裂保青春

2011/11/29 来源:生物通
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导读
受损蛋白的积累是衰老的一个重要标志,就连不起眼的酵母也不例外,来自美国堪萨斯大学医学中心Stower医学院的研究人员发现了亲代与子代受损蛋白不对称分布的新机理,解析了衰老研究的一个核心问题:亲代如何避免把衰老因素传递给子代,打开年轻的源泉,相关成果公布在Cell杂志上。

酿酒酵母

受损蛋白的积累是衰老的一个重要标志,就连不起眼的酵母也不例外,来自美国堪萨斯大学医学中心Stower医学院的研究人员发表了题为“Motility and Segregation of Hsp104-Associated Protein Aggregates in Budding Yeast”的文章,他们发现了亲代与子代受损蛋白不对称分布的新机理,解析了衰老研究的一个核心问题:亲代如何避免把衰老因素传递给子代,打开年轻的源泉,相关成果公布在Cell杂志上。

领导这一研究的是Stower医学院的李蓉(Rong Li,音译)博士,这位华裔女科学家的教育背景几乎都是在数一数二的高校中完成:1988年毕业于耶鲁大学,1992年加州大学旧金山分校获得博士学位,之后到加州大学伯克利分校进行博士后研究,1994年进入哈佛医学院。其研究组的研究重点包括多个方面,比如细胞极性的确立,细胞运动和形态发生等。

生物从年轻到衰老,会出现新陈代谢的各种变化,衰老的一个重要特征就是受损蛋白的积累,那么年老的母细胞是如何避免将这些老化决定因素传递给它们的子代呢?

在这篇文章中,研究人员通过分析酿酒酵母(Saccharomyces cerevisae)——衰老研究的一个重要模式生物,利用活细胞成像,记录了三维空间内通过热诱导的上千个蛋白聚合物的运动,从中他们发现了受损蛋白块的限制移动,和酵母细胞的几何学运动机制,这些机制能确保在正常的衰老过程中,细胞分裂期间积累的蛋白保留在母细胞内。

李博士表示,“近期研究表明积累的有害蛋白会通过一个直接的传送系统退回到母细胞中”,“我们的这一模型说明酵母细胞分裂过程中,也许并不需要什么传递机制,积累蛋白的不对称分布就能解决这个问题。”

为了进一步了解这一过程,研究人员对分子伴侣Hsp104p进行了改造,加入了绿色荧光蛋白标记,然后通过活细胞成像来记录热诱导的蛋白聚合物的运动。他们发现大多数蛋白都局限在出芽,或者母细胞中运动,但是也有一些蛋白会从新细胞中移动到母细胞中,或者从母细胞中移动到新细胞中。

由于研究人员无法肉眼检测到蛋白聚集块的运到方向性,因此他们利用颗粒追踪和计算机程序来分析其运动,他们认为这些运动就是一种“随机运动”。延时拍摄结果也表明这些热激活的蛋白聚集块并不会出现在出芽新细胞中,而且在母细胞中也会大量减少。

当研究人员突变了Hsp104p蛋白基因,虽然并不会影响Hsp104p结合蛋白聚合物的能力,但是却干扰了它的重折叠,蛋白聚集块就不再会被清除了,这说明这些热诱导的蛋白消化需要Hsp104p的帮助。

除此之外,研究人员还分析了正常形成的蛋白块——这些蛋白是衰老细胞氧化受损产物,他们发现这些蛋白也呈现出相同的运动模式,但是并不会被消化,同样这些蛋白也不会移动到出芽新细胞中。

通过3D数字模拟,以及一维的分析模型,研究人员揭示了这些积累的受损蛋白的运动特征:受限于母细胞,随机运动,而且出芽过程中出口的狭窄也有助于蛋白聚集块停留在母细胞中,这些都解释了亲代子代受损蛋白的不对称分裂机制。

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Motility and Segregation of Hsp104-Associated Protein Aggregates in Budding Yeast

Chuankai Zhou, Brian D. Slaughter, Jay R. Unruh, Amr Eldakak, Boris Rubinstein, Rong Li

During yeast cell division, aggregates of damaged proteins are segregated asymmetrically between the bud and the mother. It is thought that protein aggregates are cleared from the bud via actin cable-based retrograde transport toward the mother and that Bni1p formin regulates this transport. Here, we examined the dynamics of Hsp104-associated protein aggregates by video microscopy, particle tracking, and image correlation analysis. We show that protein aggregates undergo random walk without directional bias. Clearance of heat-induced aggregates from the bud does not depend on formin proteins but occurs mostly through dissolution via Hsp104p chaperon. Aggregates formed naturally in aged cells also exhibit random walk but do not dissolve during observation. Although our data do not disagree with a role for actin or cell polarity in aggregate segregation, modeling suggests that their asymmetric inheritance can be a predictable outcome of aggregates' slow diffusion and the geometry of yeast cells.

文献链接:http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(11)01291-8

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