Neues Mikroprotein hilft Hefezellen, mit Nährstoffknappheit fertig zu werden

Forscher der University of Eastern Finland und der University of Montreal (Kanada) haben entdeckt, dass ein Mikroprotein, das sie Nrs1 nannten, die Zellteilung und -proliferation unterstützt, wenn Nährstoffe knapp sind. Dieses Ergebnis, veröffentlicht in PLOS-Biologie gestern, wirft ein neues Licht darauf, wie die Evolution die Genome einzelliger Mikroorganismen subtil umgestaltet und ihnen Plastizität verleiht, um ihr Wachstum und ihre Vermehrung an sich ständig verändernde Umgebungen anzupassen.

Um die Jahrtausendwende gelang es Wissenschaftlern, die DNA-Sequenz ganzer Genome experimentell zu bestimmen. Als nächstes nutzten sie diese Informationen, um Genomprodukte vorherzusagen: die Proteine.

„Zu dieser Zeit wurden sehr kurze DNA-Abschnitte, die für sehr kleine Proteine ​​​​kodieren, übersehen. Warum Ressourcen aufwenden, um diese winzigen, schüchternen Typen zu untersuchen, wenn es bereits so viel mit den großen, harten Jungs zu tun gibt? Diese Strategie zahlte sich aus, um zentrale, evolutionär konservierte zu identifizieren zelluläre Mechanismen, aber das Anpassungspotential versteckt sich in weniger konservierten, oft kurzen DNA-Sequenzen“, sagt Universitätsforscher Sylvain Tollis, der die Studie in Montreal und am Institut für Biomedizin der Universität von Ostfinnland durchführte.

Darüber hinaus werden Mikroproteine ​​beim Menschen zunehmend mit Krankheiten in Verbindung gebracht: So ist das nur 24 Aminosäuren lange Humanin am Zelltod und -überleben von Nervenzellen beteiligt1, während das krebsassoziierte Mikroprotein CASIMO1 die Zellproliferation und -motilität bei Brustkrebs fördert Zelllinien durch das Aktin-Zytoskelett2. Diese Ergebnisse fordern die Gemeinschaft auf, kleinere Proteine ​​oder Mikroproteine ​​und andere Genomsequenzen zu untersuchen, die zuvor beiseite gelassen wurden.

In der neu veröffentlichten Studie nutzten die Autoren die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, um nach molekularen Wegen zu suchen, über die die Informationen über die Nährstoffverfügbarkeit an die Schlüsselmoleküle, die so genannten Transkriptionsfaktoren, übermittelt werden könnten, die das Engagement für die Teilung orchestrieren Startpunkt. Tatsächlich werden Zellwachstum und -teilung stark von der Verfügbarkeit von Nährstoffen beeinflusst. Dazu entfernten sie aus dem Hefegenom die Hauptaktivatoren der Zellteilung und überexprimierten nach und nach die restlichen Hefeproteine, darunter auch viele kleine. Aus diesem Screening ging ein einzigartiges Mikroprotein hervor, das in der Lage ist, die Zellproliferation trotz des Fehlens wichtiger Zellteilungsaktivatoren zu retten. Weitere biochemische Analysen und bahnbrechende quantitative Mikroskopie-Untersuchungen ergaben, dass Zellen dieses Protein nur unter Stickstoff-armen Bedingungen exprimieren und wenn es an der Zeit ist, sich zu teilen. Die Autoren haben ihn daher in Nrs1 für Nitrogen-Responsive Start regulator umbenannt. Nrs1 bindet an und aktiviert die wichtigsten Transkriptionsfaktoren, die die Entscheidung zur Teilung auslösen, und bietet einen alternativen, nährstoffregulierten Mechanismus für die Start-Aktivierung.

Sequenzanalysen über Hefearten hinweg zeigten, dass Nrs1 ein kürzlich entwickeltes Mikroprotein ist, was zeigt, wie Mikroproteine ​​schnell entstehen können, um grundlegende zelluläre Prozesse neu zu verdrahten.

„In der Tat scheint es vernünftig anzunehmen, dass kurze DNA-Sequenzen weniger evolutionär selektierte Mutationen erfordern würden als lange Sequenzen, um funktionell optimiert zu werden. Diese Arbeit wirft die Hypothese auf, dass Mikroproteine ​​ein vielseitiges Werkzeug für die Evolution darstellen würden, um wichtige zelluläre Wege schnell neu zu verdrahten und bieten Plastizität, um sich an sich ändernde Umgebungen anzupassen“, schließt Tollis.