Sup35 prionization [PSI+] influence the frequency of the gene and chromosome mutations, accounted in the alpha-test in yeast Saccharomyces cerevisiae

Cover Page

Abstract

Background. A lot of neurodegenerative diseases are coursed by amiloidization of proteins in nerve tissues. In the patients brains suffered from Alzheimer’s disease the high fraction of the nerve cells with abnormal chromosome amount was revealed. There are some data showing that prion form of protein PrP may prevent chromosome segregation in mitosis. But the direct association of prionisation and genome stability was not revealed. Materials and methods. We compared the yeast S. cerevisiae strain bearing the prion form of the termination translation factor Sup35, and the strain with non-prionized Sup35 in the alpha-test system. The model of the alpha-test is based on the mechanism of mating type switching in heterothallic yeast strains. The MAT locus that controls the mating type of yeast cell can be presented by two idiomorphs: the MATalpha and MATa that determine the alpha and a cell types, correspondingly. Only two cells with opposite mating types (alpha × a) could copulate. In the mixture of two yeast strains with alpha mating type the hybrids appears only if one of the parent cells had changed its mating type alpha → a. The mating type switching could course the following genetic events: the loss of the chromosome, gene conversion, recombination, loss of the arm of the chromosome, gene mutations and temporary lesions. These events could be distinguished by using the specially constructed alpha-test system. Results. The [PSI+] strain has showed 2-times decreased frequency of «illegitimate» hybridization in the alpha-test compared to [psi-] strain. But [PSI+] doesn’t influence the frequency of «legitimate» hybridization in the alpha × a crossing. The prion [PSI+] also 2-times reduces the frequency of chromosome loss and gene mutations and increases gene conversion 5-times. This results are also confirmed by the canavanine test. Conclusion. We investigated the effect of the Sup35 prionizaion on the genome stability. Unexpectedly in the [PSI+] strain the frequency of «illegitimate» hybridization was 2-times lower, and frequency of gene mutations and chromosome loss was also reduced. The mechanism of this effect is unclear and requires the further investigation.

Full Text

Введение Прионы - амилоидные агрегаты белков с измененной третичной структурой, обладающие инфекционными свойствами и способные индуцировать переход других молекул белка из нативной в прионную форму. Амилоидизация белков у млекопитающих приводит к развитию ряда заболеваний, характеризующихся нейродегенеративными симптомами, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь куру, болезнь Кройцфельда-Якоба, губчатые энцефалопатии мозга и другие. Моделью для изучения прионов млекопитающих служит дрожжевой фактор [PSI+] - прионизованная форма фактора терминации трансляции Sup35. В клетках [PSI+] дрожжей S. cerevisiae большинство молекул Sup35 образует агрегаты и теряет свою функциональность. Прионизации белка Sup35 приводит к тому, что в клетках [PSI+] происходит нарушение терминации трансляции, поскольку на фоне отсутствия функционального Sup35 рибосомы прочитывают нонсенс-кодоны в мРНК как значащие. Прионизация Sup35 может быть выявлена по супрессии нонсенс-мутаций в различных генах. У пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера, выявлено 10-кратное увеличение частоты нерасхождения 21 хромосомы (происходит как гаплоидизация, так и гиперплоидия) (Yourov et al., 2009). Обнаружена способность прионной формы белка PrP млекопитающих связываться с микротрубочками цитоскелета. Такое связывание приона препятствует полимеризации тубулина (Nieznanski et al., 2006), что, возможно, приводит к нарушению расхождения хромосом в митозе. У дрожжей S. cerevisiae с мутацией в генах SUP45 и SUP35 повышена частота потерь третьей хромосомы, такой фенотип коррелирует с чувствительностью к беномилу, который блокирует расхождение хромосом в анафазе (Borchsenius et al., 2000). Материалы и методы Для изучения влияния приона [PSI+] на стабильность генетического материала мы использовали разработанную нами ранее тест-систему альфа-тест. Альфа-тест - удобная тест-система, позволяющая одновременно учитывать изменение частот разных типов генетических повреждений. В альфа-тесте могут быть учтены следующие генетические события: потери хромосом, генные мутации, конверсия гена, потеря плеча хромосомы и рекомбинация. Альфа-тест основан на использовании механизма переключения типа спаривания у гетероталличных штаммов дрожжей S. cerevisiae (Inge-Vechtomov et al., 1986). Тип спаривания у дрожжей регулирует локус МАТ, расположенный в III хромосоме. Локус МАТ представлен двумя идиоморфами - МАТа и МАТalpha, определяющими а- и альфа-типы спаривания соответственно. В норме спариваться могут только клетки противоположных типов спаривания, поэтому в «незаконных» скрещиваниях (α × α) при смешивании двух штаммов одинакового типа спаривания (α) возникающие гибриды появляются в результате слияния родительских клеток, одна из которых перед гибридизацией переключила тип спаривания на противоположный (α → а). Такое переключение типа спаривания возможно в результате генетических изменений, нарушающих экспрессию идиоморфа МАТalpha, которые могут быть учтены в альфа-тесте. Использование специально сконструированных штаммов позволяет определить генетическую активность различных факторов, общий уровень стабильности генома, а также выявить молекулярную природу генетических изменений, вызванных разными мутагенами. Результаты Мы показали, что у штаммов, несущих прионную форму белка Sup35, происходит снижение частоты «незаконной» гибридизации в скрещиваниях α × α и а × а в 2 раза, тогда как в скрещиваниях α × а прионизация Sup35 не влияет на частоту гибридизации. Мы также сравнили спектр генетических повреждений, возникающих на фоне прионизации Sup35 по сравнению со спектром в контрольном штамме [psi-]. У штамма [PSI+] частоты потерь хромосом и генных мутаций снижены в 2 раза и в 5 раз увеличена частота конверсии. Результаты, полученные в альфа-тесте, согласуются с результатами теста на индукцию прямых мутаций устойчивости к канаванину, в котором мы также наблюдали снижение частоты мутагенеза в 2 раза (табл. 1). Обсуждение Мы исследовали влияние приона [PSI+] на стабильность генома с использованием альфа-теста и теста на индукцию прямых мутаций устойчивости к канаванину. Мы впервые показали, что наличие приона [PSI+] приводит к снижению частоты генных мутаций и потерь хромосом, а также увеличению частоты генной конверсии. Механизм влияния приона на стабильность генома остается неизвестным. Мы предполагаем, что возможный механизм снижения частоты генных мутаций в штамме [PSI+] заключается в следующем: поскольку Sup35 в прионизованной форме теряет функциональные свойства, спонтанные нонсенс-мутации начинают прочитываться как значащие, поэтому в использованных нами тестах на мутагенность не проявляются. Известно, что Sup35 участвует в сегрегации хромосом в мейозе, возможно, с этой функцией белка связано влияние фактора [PSI+] на частоту потерь хромосом, снижение которой мы обнаружили в альфа-тесте у штамма [PSI+]. Возможно также, что влияние фактора [PSI+] на стабильность генома может быть косвенным и опосредовано изменением всего протеома, в том числе белков репарации. Так, нарушение терминации трансляции может приводить к удлинению пептидов за счет трансляции кодонов, расположенных в мРНК после стоп-кодона. Очевидно, такое изменение протеома не может не отразиться на функции целого ряда белков, контролирующих процессы мутагенеза или репарации ДНК. Роль прионов в поддержании стабильности генома требует дальнейшего изучения.
×

About the authors

Yulia Viacheslavovna Andreychuk

Saint Petersburg State University

Email: Yullinnabk@yandex.ru
Junior research fellow, Institute of translational biomedicine

Anna Sergeevna Zhuk

Saint Petersburg State University

Email: ania.zhuk@gmail.com
Junior research fellow, Department of genetics and biotechnology

Sergey Georgievich Inge-Vechtomov

Saint Petersburg State University

Email: ingevechtomov@gmail.com
Head of the department of genetics and biotechnology

Elena Igorevna Stepchenkova

St Petersburg Branch of Russian Academy of Sciences, Vavilov Institute of General Genetics

Email: stepchenkova@gmail.com
Head of the Laboratory, Laboratory of mutagenesis and genetictoxicology

Anna Alexandrovna Shiriaeva

Saint Petersburg State University

Email: annabiologic@gmail.com
Junior research fellow, Department of genetics and biotechnology

References

  1. Borchsenius A. S., Tchourikova A. A., Inge-Vechtomov S. G. (2000) Recessive mutations in SUP35 and SUP45 genes coding for translation release factors affect chromosome stability in Saccharomyces cerevisiae. Curr. Genet. V. 37: P. 285-291.
  2. Inge-Vechtomov S. G., Repnevskaia M. V., Karpova T. S. (1986) Hybridization of cells of the same mating type in Saccharomyces yeasts. Genetika. V. 22: P. 2625-2626.
  3. Iourov I. Y., Vorsanova S. G., Liehr T., Yurov Y. B. (2009) Aneuploidy in the normal, Alzheimer’s desease and ataxia-telangesia brain: Differential expression and pathological meaning. Neurobiology of desease. V. 34: P. 212-220.
  4. Nieznasnski K., Podlubnaya Z. A., Nieznasnski H. (2006) Prion protein inhibits microtubule assembly by inducing tubulin oligomerization. Biochemical and Biophysical Res. Com. V. 349: P. 391-399.

Statistics

Views

Abstract: 681

PDF (Russian): 453

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c) 2015 Andreychuk Y.V., Zhuk A.S., Inge-Vechtomov S.G., Stepchenkova E.I., Shiriaeva A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies