朊蛋白讓酵母獲得生存優(yōu)勢，圖片來自 Gene Cox/SPL/Getty,。
產(chǎn)生人類“瘋牛病”即變異型庫賈氏癥(variant CJD)的變態(tài)蛋白質(zhì)，朊蛋白(prion,，譯者注：也常譯作朊病毒),，也表現(xiàn)出它們有益的一面?？茖W(xué)家最近發(fā)現(xiàn)一種新形式的朊蛋白,，它快速發(fā)生進化從而給生物提供第三種適應(yīng)潛在的致命性環(huán)境的方法。更為重要的是,，它不涉及DNA的遺傳改變,，也不涉及DNA的表觀遺傳改變。
傳統(tǒng)觀點認為新的性狀只能在DNA本身以某種形式發(fā)生變化的情況下進化出來,。實現(xiàn)這種改變的傳統(tǒng)方法就是讓遺傳密碼發(fā)生本身突變,。最近，研究人員已發(fā)現(xiàn)分子能夠結(jié)合到DNA上,，阻止DNA序列的某些部分被讀取,，從而通過一種稱作表觀遺傳的過程產(chǎn)生遺傳變化。
但是酵母居然打破成規(guī),。在生存比較惡劣的條件下,，它能夠立即從DNA中產(chǎn)生上百種全新的有望拯救生命的蛋白，而且完全不用任何方式改變基因,。相反,，酵母改變基因被讀取的方式,。這種微小的真菌將一種稱作Sup35的特殊蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)殡玫鞍住?/p>
正常條件下,，Sup35在細胞的蛋白生產(chǎn)線上發(fā)揮著重要作用,。它確保細胞內(nèi)核糖體在生產(chǎn)某種蛋白的最合適時機開始和終止讀取RNA鏈。
當(dāng)Sup35轉(zhuǎn)變?yōu)殡玫鞍缀?，它不再發(fā)揮這種作用,。由于這種蛋白質(zhì)量控制缺失，當(dāng)完整的基因序列在核糖體內(nèi)傳送時,，它就全部被讀取,，包括通常忽略的RNA區(qū)段，從而產(chǎn)生新的蛋白質(zhì),。
結(jié)果就是酵母產(chǎn)生很多全新的蛋白,，同時不以任何方式改變它的DNA。在這些新蛋白混合物中可能存在一些對酵母存活至關(guān)重要的蛋白,。
2004年,，來自美國麻州劍橋白頭生物醫(yī)學(xué)研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的Susan Lindquist在研究實驗室培養(yǎng)的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中第一次觀察到這種她稱作“組合進化(combinatorial evolution)”的過程。
她說,，“我們一直說這是非常不錯的發(fā)現(xiàn),，也是一種幾年內(nèi)就可產(chǎn)生新性狀的方法，但是其他人說它是實驗室酵母患上的一種疾病,。”
如今,，她通過確信無疑地展現(xiàn)這種同樣過程在自然中也發(fā)生來證明這些懷疑是錯誤的。在她和她的同事們研究的700種天然釀酒酵母菌株中,，她在255種菌株中觀察到這種過程發(fā)揮著作用,。
Lindquist說，在惡劣的環(huán)境---比如氧氣稀缺或者異常酸性--中培養(yǎng)這些酵母菌株,，然而讓存活者接觸破壞朊蛋白的化學(xué)物,。她發(fā)現(xiàn)很多菌落發(fā)生萎縮，這表明朊蛋白維持它們的競爭優(yōu)勢,。
更重要的是,，在酵母交配時，朊蛋白能夠遺傳,，因此子細胞也將制造同樣的一套存活蛋白(survivor protein),。
Lindquist說，“首要的是,，它是一種適應(yīng)性策略,。它是獲得新[物理性狀]的好方法。”
Lindquist說,，對產(chǎn)生的新蛋白而言,，它們甚至還可能通過遺傳密碼突變的方法與基因組“連通”在一起,，不過這一點她迄今為止還未觀察到。
其他的研究人員也對此留下深刻影響,。來自美國亞特蘭大喬治亞理工學(xué)院的Yury Chernoff說,，“這一發(fā)現(xiàn)真是了不起。”Chernoff是之前質(zhì)疑組合進化是實驗室假象的研究人員之一,。
Chernoff說,，“這意味著‘蛋白突變’或者說朊蛋白在[有機體的物理特征]上有著巨大影響，因此不是所有的進化都是通過DNA變化而產(chǎn)生的,。”
就目前而言,，人們?nèi)圆磺宄@種組合進化是酵母的一種怪異的生物學(xué)特征還是生命體的一種更為常見的事實，但是研究人員希望后者是實際情形,。
來自美國密蘇里州斯托瓦斯醫(yī)學(xué)研究所(Stowers Institute for Medical Research)的Rong Li猜測,，“朊蛋白可能在自然進化中非常好地發(fā)揮著重要作用。”而且他最近發(fā)現(xiàn)酵母也可以通過染色體改組(chromosome shuffling)發(fā)生進化,。(生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1038/nature10875
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PMID:
Prions are a common mechanism for phenotypic inheritance in wild yeasts
Randal Halfmann, Daniel F. Jarosz, Sandra K. Jones, Amelia Chang, Alex K. Lancaster & Susan Lindquist
The self-templating conformations of yeast prion proteins act as epigenetic elements of inheritance. Yeast prions might provide a mechanism for generating heritable phenotypic diversity that promotes survival in fluctuating environments and the evolution of new traits. However, this hypothesis is highly controversial. Prions that create new traits have not been found in wild strains, leading to the perception that they are rare ‘diseases’ of laboratory cultivation. Here we biochemically test approximately 700 wild strains of Saccharomyces for [PSI+] or [MOT3+], and find these prions in many. They conferred diverse phenotypes that were frequently beneficial under selective conditions. Simple meiotic re-assortment of the variation harboured within a strain readily fixed one such trait, making it robust and prion-independent. Finally, we genetically screened for unknown prion elements. Fully one-third of wild strains harboured them. These, too, created diverse, often beneficial phenotypes. Thus, prions broadly govern heritable traits in nature, in a manner that could profoundly expand adaptive opportunities.
