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Quand commence le repliement des protéines ?

Quand commence le repliement des protéines ?


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J'avais toujours supposé que le repliement des protéines était une activité indépendante qui se produit une fois la traduction terminée. Cependant, récemment, j'ai appris que les forces intermoléculaires commencent à façonner les liaisons peptidiques comme ils sortent du ribosome, alors que la traduction est toujours en cours.

Cela m'amène à me demander : quand ont lieu les « étapes » du repliement des protéines ? Qu'est-ce qu'un « échéancier » général pour le repliement des protéines ? Par exemple, quand les structures secondaires et tertiaires commencent-elles à se former ? Ou, quand des choses comme les chaperons se lient-elles et agissent-elles ?


Quand commence le repliement des protéines ?

En ce qui concerne l'heure que vous avez demandée, cela peut être après que la traduction a eu lieu (appelée Pliage translationnel des protéines) ou pendant que la traduction est toujours en cours (appelée Repliement co-traductionnel des protéines). Voici le lien vers un article pour une compréhension de base du repliement co-traductionnel des protéines.

Il y a beaucoup de débats sur l'heure vraie. Les expérimentateurs ont amassé de nombreuses preuves au cours des quatre dernières décennies que les protéines semblent se replier pendant la production par le ribosome. Les méthodes de prédiction de la structure des protéines, cependant, n'intègrent pas cette propriété de repliement (référence).

Si vous regardez en particulier certains organismes, il est conseillé de se référer aux articles de recherche qui s'y rapportent. Le mécanisme principal est l'interaction entre plusieurs interactions non covalentes telles que l'effet hydrophobe et la liaison hydrogène dans un coopérative manière (ils suivent également les règles de base de la thermodynamique) qui conduit à une marginalement stable structure tertiaire.

Quand les structures secondaires et tertiaires commencent-elles à se former ?

Bien sûr, après les formes de structure primaire. Les hélices alpha/feuillets bêta se replient ensuite de manière coopérative pour former une structure tertiaire.

Un point à noter est que de légères variations dans ces actes coopératifs provoquent un mauvais repliement des protéines qui peuvent provoquer certaines maladies.


Le repliement commence dès que la protéine commence à être traduite et en fait, le ribosome affecte le repliement de la protéine.

Vous pouvez lire plus ici.


11.3 : Repliement des protéines dans le réticulum endoplasmique

  • Contribution de E. V. Wong
  • Axolotl Academica Publishing (Biologie) chez Axolotl Academica Publishing

La lumière du réticulum endoplasmique (RE) joue quatre rôles majeurs dans le traitement des protéines :

  1. repliement/repliage du polypeptide,
  2. glycosylation de la protéine,
  3. assemblage de protéines multi-sous-unités, et
  4. emballage de protéines dans des vésicules.

Le repliement des protéines est un processus important car les schémas de repliement initiaux lorsque le polypeptide est encore en cours de traduction et inachevé peuvent ne pas être le schéma de repliement optimal une fois que la protéine entière est disponible. Cela est vrai non seulement pour les liaisons H, mais également pour les liaisons disulfure plus permanentes (c'est-à-dire covalentes). En regardant l'exemple hypothétique de polypeptide, la structure secondaire de la moitié N-terminale peut conduire à la formation d'une liaison disulfure stable entre la première cystéine et la deuxième cystéine, mais dans le contexte de la protéine entière, une liaison disulfure plus stable pourrait être formé entre la cystéine 1 et la cystéine 4. L'échange de cibles de liaison disulfure est catalysé par protéine disulfure isomérase (PDI).

Figure (PageIndex<8>). La protéine disulfure isomérase réarrange les liaisons disulfure.

L'environnement redox interne du réticulum endoplasmique est significativement plus oxydant que celui du cytoplasme. Ceci est largement déterminé par le glutathion, qui se trouve dans un rapport GSH:GSSG de 30:1 ou plus dans le cytoplasme, mais à un rapport proche de 1:1 dans la lumière du RE. Cet environnement oxydant est également propice au remodelage des disulfures. Il convient de noter que PDI ne choisit pas les partenaires de liaison &ldquocorrect&rdquo. Il déplace simplement les liaisons disulfure existantes vers un arrangement plus stable sur le plan énergétique. Alors que le reste du polypeptide continue de se replier, rompant et créant rapidement des liaisons H, de nouveaux partenaires potentiels de liaison disulfure peuvent se rapprocher les uns des autres et PDI peut à nouveau tenter de réorganiser le motif de liaison disulfure si le motif résultant est plus thermodynamiquement stable.

Figure (PageIndex<9>). Isomérase de disulfure de protéine. Cette enzyme utilise un groupe sulfhydryle d'un résidu cystéine comme partenaire de liaison temporaire afin de rompre les liaisons disulfure sur la protéine cible et permettre la formation de nouvelles. Notez que la formation d'une nouvelle liaison n'est pas dirigée par la PDI, mais est plutôt un processus stochastique dans lequel un partenaire de liaison plus fort déplace la PDI &mdashSH.

L'assemblage de protéines multi-sous-unités et le repliement des polypeptides sont similaires dans leur utilisation de protéines chaperons qui aident à empêcher le repliement prématuré, séquestrant des parties de la protéine de l'interaction de liaison H jusqu'à ce que la protéine complète soit dans la lumière du RE.

Figure (PageIndex<10>). Le repliement des protéines est optimisé dans le RE. Des protéines telles que la calnexine peuvent se lier temporairement aux polypeptides naissants, les empêchant de former des structures secondaires à partir d'informations incomplètes, libérant la protéine pour le repliement une fois que le polypeptide entier a été traduit.

Ce mécanisme facilite simplement la recherche de la conformation thermodynamiquement optimale en empêchant la formation de certaines conformations potentielles sous-optimales. Ces protéines chaperons se lient aux nouvelles protéines lorsqu'elles pénètrent dans la lumière par le translocon et, en plus de simplement empêcher les liaisons incorrectes qui devraient être rompues, elles empêchent également l'interaction prématurée de plusieurs polypeptides entre eux. Cela peut être un problème car avant le repliement approprié qui masquerait normalement de tels domaines dans la protéine, les polypeptides immatures peuvent avoir des domaines d'interaction exposés, conduisant à une liaison indiscriminée et potentiellement à la précipitation d'agrégats de protéines insolubles.

Les protéines chaperons peuvent également être trouvées chez les procaryotes, les archées et dans le cytoplasme des eucaryotes. Celles-ci sont quelque peu similaires les unes aux autres et fonctionnent quelque peu différemment des types de protéines de repliement trouvées dans la lumière du RE. On les appelle généralement chaperonines, et le mieux caractérisé est le complexe GroEL/ GroES dans E. coli. Comme l'indique la structure de la figure (PageIndex<11>), il a une forme similaire au protéasome, bien qu'avec une fonction complètement différente. GroEL est composé de deux anneaux empilés, chacun composé de 7 sous-unités, avec une grande cavité centrale et une grande zone de résidus hydrophobes à son ouverture. GroES est également composé de 7 sous-unités et agit comme un plafond à une extrémité du GroEL. Cependant, GroES ne plafonne GroEL qu'en présence d'ATP. Lors de l'hydrolyse de l'ATP, les chaperonines subissent d'importants changements de conformation concertés qui empiètent sur la protéine à l'intérieur, provoquant un repliement, puis le GroES se dissocie et la protéine est libérée dans le cytosol.

Figure (PageIndex<11>). Complexe GroEL/GroES. Les deux anneaux heptamériques de GroEL sont représentés en vert et bleu/violet. L'heptamère GroES (rouge/jaune) coiffe le complexe GroEL en présence d'ATP. Illustration par D.S. Goodsell, 2002.


Après avoir été traduites à partir de l'ARNm, toutes les protéines commencent sur un ribosome sous la forme d'une séquence linéaire d'acides aminés. Cette séquence linéaire doit « se replier » pendant et après la synthèse pour que la protéine puisse acquérir ce qu'on appelle sa conformation native. La conformation native d'une protéine est une structure tridimensionnelle stable qui détermine fortement une fonction biologique d'une protéine. Lorsqu'une protéine perd sa fonction biologique à la suite d'une perte de structure tridimensionnelle, on dit que la protéine a subi une dénaturation. Les protéines peuvent être dénaturées non seulement par la chaleur, mais aussi par des pH extrêmes. Ces deux conditions affectent les interactions faibles et les liaisons hydrogène qui sont responsables de la structure tridimensionnelle d'une protéine. Même si une protéine est correctement spécifiée par son ARNm correspondant, elle pourrait prendre une forme complètement dysfonctionnelle si des conditions anormales de température ou de pH l'empêchent de se replier correctement. L'état dénaturé de la protéine ne correspond pas au dépliement de la protéine et à la randomisation de la conformation. En fait, les protéines dénaturées existent dans un ensemble d'états partiellement repliés qui sont actuellement mal compris. De nombreuses protéines se replient spontanément, mais certaines protéines nécessitent des molécules auxiliaires, appelées chaperons, pour les empêcher de s'agréger pendant le processus compliqué de repliement.

Chiffre: Repliement des protéines: Une protéine commence comme une séquence linéaire d'acides aminés, puis se replie en une forme tridimensionnelle imprégnée de toutes les propriétés fonctionnelles requises à l'intérieur de la cellule.


Enzymologie à molécule unique : méthodes basées sur la fluorescence et à haut débit

Z. Wang, . V. Muñoz , dans Méthodes en Enzymologie , 2016

7 Remarques finales

La recherche sur le repliement des protéines a un besoin urgent de méthodes expérimentales modernes pour résoudre les voies et mécanismes de repliement suivis par les molécules de protéines individuelles dans leur recherche de la structure native. SM-FRET est, en principe, une technique idéale pour relever ce défi car elle récapitule les expériences classiques de dénaturation chimique au niveau d'une seule molécule. Le problème est que les échelles de temps des mouvements de pliage pertinents sont de l'ordre de la microseconde, alors que le SM-FRET conventionnel n'atteint que des millisecondes. Il en est ainsi parce que la résolution temporelle de ces expériences dépend en fin de compte des taux de comptage de photons maximaux qui peuvent être obtenus à partir d'une seule molécule.

Au cours des dernières années, une combinaison d'améliorations techniques et d'approches pratiques a été développée qui repousse les limites des expériences SM-FRET pour enfin atteindre la résolution recherchée en microsecondes. De tels développements sont multivariés, mais l'avancée la plus importante est venue de l'identification de stratégies photochimiques pour récupérer rapidement une molécule activement fluorescente à partir des états sombres à longue durée de vie qui ont tendance à se former sous une irradiance élevée et à limiter sévèrement l'émission de photons. La combinaison de cette stratégie avec des procédures physico-chimiques simples pour ralentir la dynamique du repliement des protéines a conduit aux premières expériences SM-FRET à résolution microseconde sur les protéines de repliement rapide ( Campos et al., 2011 ). D'autres facteurs très influents sont le type de source d'excitation laser, l'efficacité de collecte de l'instrument, la disponibilité de colorants plus brillants et plus résistants pour le marquage des protéines et la mise en œuvre de procédures analytiques qui réduisent la dépendance aux statistiques de bruit de tir.

La combinaison judicieuse de tous ces facteurs nous donne aujourd'hui la possibilité d'effectuer des expériences SM-FRET microsecondes pour sonder la dynamique conformationnelle des protéines pendant le repliement et la liaison. En parallèle, d'importants efforts de recherche sont en cours sur tous ces fronts avec l'objectif primordial d'augmenter encore la résolution des expériences SM-FRET sur les protéines. Avec tous ces développements incrémentiels réunis, nous devrions bientôt nous attendre à pouvoir dépasser la limite de 1 s qui permettra de résoudre complètement les transitions conformationnelles des protéines individuelles pendant qu'elles se replient et fonctionnent.


Partie 4 : Prions : Éléments protéiques de la diversité génétique

00:07.1 Bonjour, je suis Susan Lindquist.
00:09.1 Je suis au Whitehead Institute du MIT
00:11.2 et membre du Howard Hughes Medical Institute.
00:14.1 Je suis ici pour vous parler du repliement des protéines
00:16.3 comme un puissant moteur de nouveauté évolutive.
00:20.0 La dernière fois, je vous ai parlé de Hsp90
00:23.1 et les façons dont il peut influencer le repliement des protéines
00:26.1 et la manifestation de la variation génétique
00:28.1 de manière très puissante.
00:30.1 Aujourd'hui, je vais vous parler de
00:32.1 une manière très différente de plier les protéines
00:34.1 peut influencer la manifestation de la variation génétique
00:36.1 et conduire à l'apparition de toutes sortes de nouveaux traits.
00:40.1 Et ce sont les prions.
00:42.3 Donc, c'est une histoire intéressante
00:45.0 qui commence dans un endroit en Nouvelle-Guinée
00:49.1 et passera à Cambridge, Massachusetts.
00:52.1 Donc, le problème de repliement des protéines,
00:55.2 qui dirige tout ce dont je vais vous parler,
00:58.1 est simplement que les protéines commencent comme
01:01.2 longues chaînes linéaires d'acides aminés
01:03.1 et ils doivent se plier en des formes très compliquées comme celle-ci
01:06.1 pour fonctionner,
01:07.2 et ils le font dans un environnement fou.
01:09.2 Ils font ça dans cet environnement très encombré de la cellule
01:12.2 où les protéines se bousculent et se heurtent tout le temps.
01:16.1 L'histoire des prions, comme je l'ai mentionné,
01:18.1 démarre en Nouvelle-Guinée,
01:21.1 et il y avait une tribu où
01:25.1 un très grand nombre de personnes mouraient de
01:26.3 une maladie neurodégénérative très bizarre et horrible,
01:29.3 et Carleton Gajdusek a découvert que c'était
01:33.1 en fait à cause d'un agent infectieux.
01:36.3 Et Stan Prusiner
01:40.0 -- et de nombreux autres enquêteurs y ont contribué,
01:42.2 Je devrais dire,
01:44.1 mais ces gars étaient très, très, très importants,
01:46.2 pivot sur le terrain --
01:48.2 a découvert que cette maladie
01:53.1 a été causé par le repliement des protéines.
01:55.1 Maintenant, le problème de repliement des protéines
01:57.2 créer un élément infectieux
01:59.1 était vraiment une chose incroyable,
02:00.3 et cela signifiait que les protéines, lorsqu'elles changent de pli,
02:03.1 peut avoir des manifestations génétiques.
02:06.3 les agents pathogènes sont généralement
02:09.0 des agents qui transportent de l'ADN avec eux,
02:11.1 donc ce fut une révélation.
02:13.1 Mais de quoi je veux te parler
02:16.1 pense à des prions comme celui-ci.
02:20.1 Parce que l'histoire des prions en tant qu'agents pathogènes
02:23.3 est tellement extraordinaire et merveilleux et incroyable.
02:27.1 C'est un peu dominé, et tout naturellement,
02:31.0 le concept de biologie des prions.
02:34.0 Mais ce que je pense, c'est que nous devons penser aux prions
02:37.2 comme cette créature,
02:39.1 et il est temps de se débarrasser d'une partie des bagages,
02:42.1 parce que je pense que les prions sont en fait
02:45.1 éléments génétiques étonnants à base de protéines
02:48.1 qui peut faire toutes sortes de choses vraiment merveilleuses
02:50.3 dans les systèmes biologiques.
02:52.2 Et je pense aussi que nous sommes seulement
02:55.0 à la pointe de l'iceberg
02:57.1 en révélant cela.
02:59.2 Alors, voici quelques-unes des grandes choses à propos des prions
03:01.2 dont je veux vous parler.
03:04.2 Les prions forment un mécanisme pour l'héritage
03:07.2 d'un trait à base de protéines.
03:09.2 Nous en avons trouvé plus de 50 dans la levure,
03:12.0, nous et d'autres personnes en avons fait rapport.
03:14.1 25 d'entre eux sont encore inédits,
03:15.3 mais il y en a juste beaucoup.
03:19.0 Ils causent des dizaines,
03:22.2 une variété ahurissante de toutes sortes de nouveaux traits.
03:25.0 Ils autorisent les organismes, l'organisme de levure, au moins, que nous avons examiné,
03:30.3 pour survivre dans des environnements fluctuants.
03:33.2 Ils offrent un itinéraire rapide vers le
03:36.1 évolution de la complexité
03:38.2 et ce sont des traits réversibles,
03:41.3 afin que l'organisme puisse acquérir ces traits
03:44.0 et ils peuvent les perdre.
03:46.2 Ils forment un ensemble très sophistiqué
03:50.1 stratégie de couverture de pari pour la survie.
03:53.1 Et ils forment un système de mémoire biologique,
03:56.1 dans lequel le changement dans le repliement des protéines
03:58.2 se perpétue
04:01.1 et ce changement auto-entretenu dans le repliement des protéines
04:04.1 modifie la fonction de la protéine,
04:06.1 et cela peut à la fois créer de nouveaux phénotypes
04:09.3 et il sert en fait comme une sorte de mémoire biologique,
04:12.1 quand on y pense,
04:14.1 et il y a des preuves maintenant
04:16.1 que cela se produit vraiment aux extrémités des synapses
04:18.2 dans notre cerveau
04:20.1 et aider à maintenir à long terme
04:22,2 connexions synaptiques.
04:25.1 De plus, nous avons trouvé, dans mon laboratoire,
04:28.0 preuve que les prions peuvent activer
04:32.1 la vie dans des systèmes et communautés biologiques complexes,
04:35.2 créant différentes manières pour les organismes de se relier les uns aux autres.
04:39.1 Alors je vais essayer de vous donner
04:41.3 un aperçu de ce très complexe et riche
04:44.1 et sujet merveilleux.
04:46.3 Et je vais finir avec la formation de prions, vraiment,
04:52.1 l'exemple ultime de l'évolution lamarckienne,
04:55.1 dans lequel les organismes peuvent acquérir un nouveau trait héréditaire
05:00.1 qu'ils transmettent de génération en génération
05:03.1 en étant exposé à un nouvel environnement.
05:09.2 Donc, l'histoire du prion
05:12.1 commence avec ces deux souches de levure,
05:19.2 rouge contre blanc,
05:21.2 et il s'avère que ces organismes
05:29.0 ont un comportement génétique très étrange.
05:31.1 Brian Cox a fait un travail formidable là-dessus
05:34.3 il y a de nombreuses années,
05:36.1 et beaucoup de gens pensaient, eh bien, c'est vraiment une chose étrange,
05:38.2 pourquoi travaille-t-il là-dessus.
05:40.2 mais ses premiers travaux ont vraiment jeté les bases
05:42.3 pour tout ça,
05:44.3 tout ce dont je vais vous parler aujourd'hui.
05:46.2 Ce qu'il a trouvé était la souche rouge
05:49.3 était vraiment très stable et vous pouviez vous en sortir
05:52.2 et cela donnerait lieu à plus de colonies rouges,
05:54.1 et de temps en temps, ils devenaient blancs.
05:56.2 Et la souche blanche que vous pourriez rayer
05:58.2 et ils étaient très stables,
06:00.2 un trait très héréditaire,
06:02.3 et de temps en temps, ils devenaient rouges,
06:04.3 et retour et vaut la peine.
06:06.3 C'était donc un héritage métastable.
06:09.1 Ce que Brian a également découvert, c'est que
06:12.2 lorsque vous avez couplé les globules rouges aux globules blancs
06:14.2 et ensuite tu as sporulé et sorti la descendance génétique,
06:19.0 vous vous attendriez normalement,
06:21.0 si ces traits étaient dus à des changements dans l'ADN,
06:24.0 si la différence entre les globules rouges et blancs
06:26.1 était dû à des changements dans l'ADN,
06:27.3 qu'environ la moitié de la descendance serait maintenant rouge
06:30.1 et la moitié de la progéniture serait désormais blanche,
06:31.3 alors que ces morceaux d'ADN se sont réassortis dans les générations suivantes.
06:36.0 Et ils ne l'étaient pas.
06:37.2 Toutes les cellules, toute la descendance étaient blanches.
06:39.1 Donc, un héritage étrange.
06:41.3 Brian s'est également rendu compte que ce changement de couleur
06:46.3 était dû à un changement de traduction,
06:49.1 la façon dont les ARN messagers sont décodés en protéines,
06:52.2 qu'il y avait un défaut de terminaison de traduction,
06:55.1 et les cellules sont passées du rouge au blanc
06:58.1 à cause d'un changement dans la lecture des ribosomes
07:01.3 de codons stop.
07:04.2 Et c'était lié à cette protéine ici,
07:07.1 dans ce dessin animé simple.
07:09.3 C'est une protéine qui est impliquée dans la terminaison de la traduction,
07:13.2 et c'est seulement cette partie de la protéine ici
07:16.1 qui est en fait requis pour l'activité de fin de traduction.
07:20.2 C'est un facteur très important.
07:22.1 Il dit aux ribosomes de s'arrêter lorsqu'ils frappent un codon d'arrêt.
07:26.1 Il s'y rattache ces deux domaines étranges,
07:28.3 appelé le domaine N-terminal
07:30.1 et le domaine intermédiaire,
07:32.1 qui ont juste un type très inhabituel de
07:35,1 composition en acides aminés.
07:36.3 Et il a été découvert que ces propriétés de l'héritage
07:39.3 en dépendait vraiment.
07:43.1 c'est-à-dire ces étranges propriétés de l'héritage
07:44.3 dépendait de cette région de la protéine.
07:47.2 Maintenant, Yury Chernoff entre dans cette histoire
07:51.1 parce qu'il cherchait.
07:54.1 qu'est-ce qui pourrait gouverner cet étrange modèle de comportement génétique ?
07:58.1 Ce n'est pas comme la génétique à laquelle nous pensons normalement
08:03.0 comme étant entraîné par des changements dans l'ADN.
08:05.2 Et il travaillait avec le laboratoire de Sue Liebman,
08:08.1 et il a fait un écran pour
08:11.2 facteurs dans le génome de la levure
08:13.2 qui pourrait modifier ou influencer ce modèle d'héritage.
08:19.1 Et ce qu'il a trouvé était Hsp104.
08:23.2 Mais qu'est-ce que cela voulait dire ?
08:25.2 Eh bien, à ce moment-là, j'ai reçu un appel téléphonique de Yury,
08:29.2 parce qu'il savait que j'avais travaillé sur Hsp104.
08:34.3 Mon laboratoire a montré qu'il sauve les cellules
08:37.2 de la mort à haute température,
08:39.1 et il se demandait si je connaissais un aspect
08:43.3 de la façon dont cela a fonctionné.
08:45.2 Et je l'ai fait, je savais comment fonctionnait Hsp104,
08:51.0 mais personne d'autre ne l'a fait,
08:52.3 et la raison en était que
08:54.2 nous n'avons pas pu publier notre article.
08:56.0 Hsp104 a fait quelque chose d'inhabituel
08:58.0 et c'était très dur pour les gens
09:01.2 d'accepter ce qu'il a fait.
09:03.2 Alors, que fait Hsp104 ?
09:05.1 Et au fait, il y a beaucoup, beaucoup, beaucoup de gens
09:08.1 qui a contribué à cette histoire
09:10.2 d'essayer de comprendre ces différentes parties de ce facteur de terminaison de traduction
09:14.2 et lesquels ont contribué au comportement génétique.
09:18.1 Alors, que fait Hsp104 ?
09:22.2 Hsp104 joue un rôle majeur
09:25.1 dans ce qu'on appelle la thermotolérance induite.
09:27.2 J'en ai parlé brièvement dans l'une de mes conférences précédentes.
09:30.2 Lorsque les organismes sont exposés à des températures douces,
09:34.1 ils fabriquent de nouvelles protéines
09:36.0 appelées protéines de choc thermique,
09:37.2 et ces protéines aident à les sauver
09:39.3 de la mort causée par un mauvais repliement des protéines à haute température.
09:43.2 Voici une expérience dans laquelle
09:46.1 les cellules ont été exposées aux mêmes traitements thermiques,
09:48.3 mais dans un cas les cellules ont Hsp104
09:51.3 et dans l'autre cas les cellules n'ont pas Hsp104.
09:54.2 Cela fait une grande différence dans leur capacité à survivre,
09:58.0 et la façon dont cela fait une différence dans leur capacité à survivre
10:01.2 est qu'il sépare les agrégats de protéines.
10:03.1 Alors, que sont les agrégats de protéines ?
10:08.1 Ce sont des protéines bien repliées.
10:10.3 Vous avez tous vu les effets de la chaleur
10:12.3 sur ces protéines bien repliées.
10:14.3 Il provoque l'agrégation des protéines.
10:16.2 Maintenant, Hsp104 je ne veux pas dire
10:20.2 peut défaire cet œuf,
10:22.1 mais juste un peu de ce genre d'agrégation
10:26.2 se produit dans les cellules en réponse à des stress,
10:28.3 et cela peut les tuer.
10:31.0 Hsp104 les sauve
10:33.2 en le désagrégeant.
10:35.2 Donc, cela nous a amené à penser, eh bien peut-être,
10:38.1 comment pourrait-il être impliqué dans l'hérédité de ce trait ?
10:40.2 Peut-être l'héritage de ce trait
10:43.2 dépendait d'une certaine manière de
10:46.1 phénomènes d'agrégation de protéines ?
10:48.1 Nous avons donc examiné la protéine qui avait été
10:52.1 lié à ce trait,
10:53.3 ce facteur de terminaison de traduction,
10:55.2 et a demandé s'il existait dans
10:58.1 un état conformationnel différent
11:00.1 dans les globules rouges ou les globules blancs.
11:01.3 Et bien sûr, dans les globules rouges
11:04.2 la protéine était soluble et fonctionnelle,
11:07.1 et dans les globules blancs la protéine était
11:11.0 attachés en petits agrégats.
11:12.0 Et vous pouvez voir d'ailleurs.
11:13.3 ces petits agrégats,
11:15.2 ils sont en fait hérités,
11:18.1, ils passent de la cellule mère à la cellule fille.
11:22.3 Maintenant, à peu près au moment où nous étions au milieu de ces expériences,
11:26.1 et nous n'avions encore rien publié
11:29.0 et nous n'avions pas encore pu publier
11:33.1 même notre histoire sur Hsp104,
11:34.2 bien que nous ayons fini par obtenir un très bon papier
11:36.2 et les suggestions des critiques, à long terme,
11:39.1 a vraiment fait un meilleur papier.
11:42.2 pendant que nous étions au milieu de cela,
11:44.1 est venu un article de Reed Wickner,
11:47.2 qui était une interprétation très, très intelligente
11:52.0 de quelques expériences génétiques
11:54.0 sur un autre facteur hérité
11:56.0 d'une manière très bizarre,
11:57.2 hérité et avait le même genre de propriétés génétiques
12:00,0 que l'élément PSI avait,
12:02.2 que cet élément rouge/blanc avait.
12:05.2 Cela s'appelait URE3,
12:08.1 et il a suggéré que la façon dont cela a été hérité
12:12.3 était que c'était dû à une sorte de
12:14.3 un phénomène semblable à un prion,
12:16.2 un changement auto-entretenu dans la fonction des protéines.
12:21.3 Ne sachant pas si c'était un agrégat,
12:23.3 ou s'il s'agissait d'un changement dans l'activité de la protéine,
12:27.0 ou ce qui se passait,
12:28.3 mais il a également suggéré que cela pourrait s'appliquer à.
12:32.0 ce mécanisme de type prion pourrait s'appliquer
12:35.3 à cet héritage de ce trait rouge/blanc.
12:39.3 Donc, comme je l'ai dit, cela aurait pu être n'importe quoi,
12:42.3 cela aurait pu être une enzyme qui a catalysé sa propre modification,
12:46.1 ça aurait pu être plein de choses différentes,
12:48.3 mais parce que nous savions qu'il était contrôlé par Hsp104,
12:51.3 dont nous savions qu'il était impliqué dans l'agrégation des protéines,
12:54.2, cet article avait vraiment beaucoup de sens.
12:58.3 Et donc nous avons décidé de regarder ça
13:02.2 encore plus en détail,
13:05.1 et nous avons découvert qu'en fait, l'état d'agrégation de cette protéine,
13:09.0 Sup35,
13:10.2 ce facteur de terminaison de traduction,
13:14.2 n'était pas seulement un agrégat généralisé,
13:18.1 mais un type d'agrégat très spécial,
13:20.2 un agrégat amyloïde auto-étalonné.
13:24.1 Donc, à gauche, vous voyez
13:27.1 les fibres protéiques de Sup35 que nous avons trouvées,
13:31.2 après beaucoup d'efforts.
13:34.2 Les protéines agrégées demandent beaucoup de travail,
13:36.2 mais nous avons finalement regardé les agrégats
13:39.1 au microscope électronique
13:41.1 et voilà, ce ne sont pas qu'un fouillis d'agrégats,
13:43.0 c'étaient des filaments amyloïdes très organisés.
13:46.2 Et ils étaient organisés d'une manière très intéressante,
13:48.2 parce que l'épine centrale du filament
13:51.1 était cette région de la protéine
13:53.2 qui s'était précédemment avéré essentiel
13:56.3 pour l'hérédité du trait blanc,
14:01.0 et la partie fonctionnelle de la protéine,
14:03.1 qui fonctionne normalement en traduction,
14:04,3 est collé à l'extérieur,
14:06.2 donc quand cette protéine s'assemble dans cette fibre amyloïde,
14:10.2 il ne peut plus atteindre le ribosome
14:12.2 et ne fonctionne plus.
14:15.2 Et nous avons alors pu réellement
14:18.3 surveiller la cinétique d'assemblage de cette protéine,
14:21.2 et nous avons constaté que la protéine
14:25.1 s'assemble initialement dans un tube à essai
14:28.1 très, très inefficacement
14:30.1 et très, très lentement.
14:31.2 Il a fallu des heures et des heures et des heures pour que la protéine s'assemble.
14:34.2 mais, l'élément clé qui, je pense, explique
14:38.1 la capacité de cette protéine à servir d'élément du patrimoine génétique
14:41.3 c'est que si vous prenez une très petite quantité
14:46.2 de cette protéine préassemblée
14:49.1 et l'ajouter au début d'une nouvelle réaction d'assemblage,
14:51.3 celui-ci ici,
14:53.1 ce que vous voyez, c'est ça.
14:56,2 boum.
14:57.3 les fibres préassemblées ont la capacité
15:00,1 à complètement, très, très rapidement
15:03,1 convertit toutes les autres protéines dans le même état.
15:06.3 Alors, maintenant vous pouvez commencer à voir
15:11.1 comment cela pourrait expliquer l'hérédité de ce trait,
15:14.1 parce que si vous avez une protéine soluble qui est fonctionnelle et que les cellules sont rouges,
15:20.1 et une protéine insoluble qui n'est pas fonctionnelle,
15:22.1 pour que les cellules soient blanches.
15:24.2 Vous accouplez ces cellules ensemble
15:26.2 et ensuite vous sporulez et séparez les génomes,
15:29.2 et bien, la protéine a servi de modèle
15:32.0 pour changer la protéine dans l'autre type de cellule,
15:35.0 et de sorte que lorsque les cellules sporulent,
15:38.0 toute la progéniture sera blanche,
15:40.1 comme l'avait montré Brian Cox.
15:42.1 Et cela ne sépare pas l'ADN,
15:44.1 peu importe quelles cellules obtiennent quel chromosome,
15:47.3 parce que le trait n'est pas basé sur l'hérédité
15:50,1 d'un changement d'ADN,
15:51.3 c'est basé sur l'hérédité d'une protéine
15:54.2 avec un état conformationnel altéré.
15:57.1 Et comment Hsp104 figure dans ce
16:00.1 est que Hsp104 contrôle cet état amyloïde.
16:05.2 Je t'ai dit que ça sauve les cellules du choc thermique
16:07.2 en désagrégeant les protéines
16:09.2, il peut également désagréger ces amyloïdes.
16:12.1 Donc. et en fait il peut les couper
16:14.1 en petits morceaux.
16:16.0 Donc, voici les fibres de cette protéine,
16:19.1 fibres amyloïdes,
16:21.1 très dur, difficile à dissoudre biochimiquement
16:25.3 #NOM ?
16:27.3 pour les faire dissoudre --
16:29.1 mais voici ce que fait Hsp104.
16:31.0 Il les coupe en petits morceaux minuscules,
16:33.1 et qui leur permet d'être hérités,
16:36.2 et pour former le modèle
16:39.1 qui va dans la cellule fille
16:41.1 et permet aux protéines de la cellule fille de changer.
16:45.1 Donc, le tout, en mettant tout ça ensemble, alors,
16:47.2 ressemble à ceci.
16:49.1 Vous avez des globules rouges
16:51.0 qui portent un gène particulier,
16:53.1 et quand les ribosomes font ce qu'ils sont censés faire,
16:55.3 le facteur de terminaison de traduction est dans son état soluble,
16:59.2 il dit aux ribosomes de s'arrêter
17:02.0 quand les ribosomes voient le codon stop.
17:06.0 Mais cette protéine peut s'assembler
17:08.2 dans cette amyloïde auto-entretenue,
17:10.2 et quand c'est le cas, il n'y a pas beaucoup de facteur de terminaison de traduction autour,
17:14.2 et donc pas mal de ribosomes
17:16.2 finit par lire ce codon d'arrêt, l'ignorant.
17:20.1 Cela change les cellules
17:22.2 d'avoir un pigment rouge à avoir un pigment blanc.
17:27.1 Maintenant, les cellules deviennent blanches,
17:32.3 et la clé suivante, l'héritage de ceci,
17:36.2 est que la protéine amyloïde auto-modélisée
17:40.3 est en fait coupé par Hsp104
17:44.3 pour permettre sa ségrégation ordonnée
17:47.3 dans les cellules filles pour héritage.
17:50.2 Et en fait avec Helen Saibil,
17:54.2 nous avons surexprimé cette protéine au point
17:57.0 où il a fait des assemblages massifs,
17:59.1 assemblages amyloïdes dans la cellule,
18:00.3 et utilisé des techniques d'imagerie très, très sophistiquées,
18:06.0 comme la tomographie EM,
18:07.3 tout cela a été fait par Helen au fait,
18:10.0 pour suggérer que,
18:12.2 tout comme les chromosomes polytènes
18:14.3 #NOM ?
18:16.3 nous a donné notre première vue de
18:19.2 l'organisation de l'ADN dans les chromosomes --
18:24.0 nous pensons que ces plus grandes assemblées
18:26.1 nous donnent la première vue du chemin
18:28.2 dans lequel ils,
18:30.0 en fait un appareil mitotique plutôt sophistiqué
18:31.2 qui sépare ces fibres, fonctionne.
18:34.2 Mais dans tous les cas, Hsp104 en est la clé,
18:37.3 mais ce n'est pas la seule clé.
18:39.1 Il y a plusieurs autres protéines qui sont impliquées
18:42.1 pour aider ces fibres amyloïdes
18:45.1 à partitionner en cellules filles
18:47.2 d'une manière très ordonnée,
18:49.2 garantissant l'hérédité du trait
18:52.1 qui est causé lorsque cette protéine change
18:55.1 son état conformationnel.
19:00.1 Cela fournit donc une explication biochimique tout à fait cohérente
19:04,2 pour ce phénomène.
19:06.1 Est-ce vraiment responsable,
19:08.0 est-ce la seule chose qui se passe ?
19:10.1 Eh bien, nous avons fait beaucoup de choses.
19:13.0 Nous avons eu des mutations dans le prion
19:15.1 qui ne s'assemblait pas très bien,
19:18.2 et ils ne pouvaient pas hériter du trait.
19:20.1 Et nous en avons eu d'autres qui l'ont amené à se rassembler davantage
19:22.1 et ils étaient plus susceptibles d'hériter du trait,
19:23.2 nous avons fait toutes sortes de choses,
19:25.0 mais laissez-moi vous parler d'un élément de preuve
19:28.0 c'était particulièrement amusant.
19:29.2 Nous avons pensé que, eh bien,
19:32.0 si cela était vraiment responsable de ce nouveau trait,
19:36.0 ce processus d'assemblage de protéines,
19:38.0 alors nous devrions pouvoir utiliser cette connaissance
19:40.2 pour créer un nouveau prion,
19:42.2 tout à nous.
19:44.1 Et donc ce que nous avons fait était de prendre
19:47.2 le facteur de terminaison de traduction Sup35
19:50.1 et dans le génome nous avons supprimé l'élément prion
19:53.0 de cette souche,
19:54.1 parce que nous ne voulions pas que cela interfère avec nos nouveaux prions
19:56.2 que nous allions faire.
19:58.1 Et puis nous avons pris le récepteur des glucocorticoïdes,
20:00.0 qui est un récepteur d'hormone stéroïde de rat,
20:02.3 et demandé si oui ou non
20:05.2 nous pourrions surveiller son activité dans une cellule de levure,
20:08.0 et voir un changement dans son état d'activité
20:10.2 when we fused it to that domain
20:13.3 which we now call the prion domain of this protein,
20:17.2 which is responsible for this bistable state. And sure enough.
20:22.2 we had a reporter in there that,
20:24.1 when the glucocorticoid receptor was working,
20:26.1 it would turn the cells the blue.
20:29.1 When the glucocorticoid receptor was assembled
20:32.1 into a self-perpetuating aggregated template,
20:34.2 the cells became white,
20:37.3 because it was no longer working
20:40.1 and, moreover, they passed that white state on to their progeny
20:42.2 in a very, very stable way.
20:44.2 So, they could either pass on the blue state
20:46.1 or they could pass on the white state.
20:48.0 So, the Weissman lab did another wonderful experiment.
20:50.0 They took the cell walls off of yeast cells
20:54.2 and they did a protein-only transformation,
20:57.2 assembling the protein into those fibers
21:00.0 that I told you that we made earlier,
21:02.2 they made them under a couple of different conditions,
21:04.2 and they used those fibers,
21:07.3 they stuck them into the yeast cells,
21:10.0 and they were able to show that the cells
21:13.1 turned from red to white
21:15.3 in a heritable way.
21:17.1 So, that protein-only transformation
21:20.2 really was another nail establishing the coffin,
21:25.2 establishing that this genetic trait
21:29.1 was due to the inheritance of a protein
21:31.3 with an altered conformation.
21:33.1 Now, here we have this prion protein.
21:37.1 As I mentioned, it's a translation termination factor,
21:40.0 a really important factor in the cell
21:42.1 that determines when ribosomes
21:44.3 will interpret stop codons properly,
21:48.0 and it's conserved in all eukaryotes,
21:50.1 and here we have this domain stuck onto the end of it
21:54.3 that has been conserved, by the way,
21:57.0 for 800 million years of evolution,
21:59.2 and its regulation by Hsp104
22:01.2 has been conserved for 800 million years of evolution.
22:06.3 And so the question becomes,
22:09.3 why?
22:11.1 Why in heaven's name
22:13.2 would cells allow this translation termination factor
22:18.3 to suddenly be sucked out of solution
22:21.1 so that ribosomes aren't performing properly?
22:25.0 And it occurred to us that
22:28.1 this had to have some meaning,
22:31.1 because otherwise, yeast can very, very rapidly evolve,
22:34.3 and they could have acquired mutations
22:37.2 in that prion domain
22:39.1 that would have still allowed the protein to have its translation termination function,
22:42.1 but not allowed it to be sucked up into these aggregates.
22:45.0 So, one thing that occurred to us was that
22:49.1 the readthrough of ribosomes
22:51.2 might be occurring not just on
22:54.2 that one messenger RNA that Brian Cox had first discovered,
22:58.2 but actually it might be happening on messenger RNAs
23:01.0 that were coming from all over the genome,
23:03.2 and in that case we might expect to see
23:06.1 some really new and interesting traits
23:08.2 if we started growing strains in different conditions,
23:10.3 not on rich media,
23:12.2 in the laboratory.
23:14.0 So, here's an example of a really wonderful trait
23:16.0 that's caused by the appearance of this same prion.
23:19.3 You can see that the colony morphology of these cells
23:24.1 has changed completely.
23:26.1 Cells that normally look like this
23:28.3 and create colonies like this
23:31.1 created very, very different types of colonies
23:33.1 that adhere to each other,
23:35.0 the cells adhere to each other,
23:36.1 they stick to each other,
23:37.2 they have different abilities to grow in different environments.
23:40.2 And here's an example of the fact that
23:44.1 these prions actually spontaneously appeared
23:47.0 every once in a while.
23:48.2 And we tried growing cells under
23:50.1 all sorts of different conditions,
23:52.1 kind of like the story I told you about Hsp90
23:54.1 a little while ago,
23:55.3 and we found that in different strains
23:58.3 we got completely different traits.
24:01.1 And that makes sense when you realize
24:03.3 that the regions that are downstream of stop codons
24:06.3 are not normally under much selective pressure,
24:08.2 they're free to vary quite a bit,
24:10.2 and so changes in those downstream sequences
24:14.1 might be expected to accumulate
24:17.2 over the course of evolution,
24:19.1 and then we the cell switches into the prion state
24:22.0 by, perhaps, sheer happenstance,
24:24.2 that will cause the creation of many new phenotypes.
24:30.1 So, you get lots of different traits in lots of different strains,
24:34.3 and the traits of different strains
24:38.0 were completely dependent upon the genotype of that strain.
24:41.0 So, what we think is that this prion
24:43.2 allows cells to sample genetic variation,
24:46.3 kind of at a genome-wide scale,
24:50.1 and it allows them to acquire
24:52.2 some really complicated traits
24:54.1 that it would be very hard for them to acquire
24:56.2 by individual mutation
24:58.3 for example, of a stop codon,
25:00.1 that would cause one individual messenger RNA
25:02.2 to be readthrough.
25:04.0 Rather, multiple messages being readthrough
25:05.3 at the same time
25:07.1 could create quite complicated traits.
25:11.2 So, if this mechanism has really existed,
25:15.2 this prion has existed,
25:17.2 in order to create evolutionary novelty
25:21.1 and the ability of the cells
25:23.2 to sometimes be able to exploit new environments,
25:25.2 then evolutionary biologists
25:29.3 and we ourselves realized
25:31.2 that if this was how this prion
25:35.1 was serving such a purpose in evolution,
25:37.2 then switching should increase with stress.
25:40.3 That is, it should be tuned such that
25:43.2 under stressful environments
25:45.1 the cells would be more likely to switch into the prion state,
25:47.1 because they would be more likely to need
25:49.3 novel new phenotypes under stress.
25:51.3 And so we asked whether or not it does,
25:54.1 and the answer to that was yes.
25:56.2 And then the question of course becomes how,
25:59.0 but for us there's a pretty simple,
26:01.2 logical explanation for that,
26:03.2 and that is because of how stress
26:07.2 influences the protein folding and protein homeostasis pathways
26:10.1 of the cell.
26:11.3 So, stress increases the likelihood
26:14.2 that proteins will misfold,
26:16.1 making it more likely that those prion domains
26:19.1 will now suddenly acquire
26:22.0 that aggregated amyloid state
26:24.0 and perpetuate that state to their daughter cells.
26:27.1 Stress also increases
26:33.1 the rate at which cells lose prions,
26:36.0 because the stresses cause
26:40.3 induction of chaperone proteins,
26:42.2 and induction of protein degradation mechanisms,
26:45.1 and all sorts of other things that influence protein homeostasis,
26:47.3 so these prions,
26:51.2 which normally appear only relatively rarely,
26:54.2 would, just because of the very nature
26:58.1 of protein homeostasis
27:00.0 and the way in which stress influences protein homeostasis,
27:02.0 be more likely to appear and disappear
27:04.0 under conditions when the cells might need new phenotypes.
27:07.1 So, here's the way we think it's working:
27:09.3 cells switch into the prion state just every once in a while,
27:13.3 and in fact with PSI,
27:16.1 the prion that I've just been talking to you about,
27:18.1 that translation termination factor,
27:19.3 that happens about one in a million cells.
27:22.1 And generally one would expect
27:24.2 that when the translation termination activity isn't working well
27:27.1 and ribosomes are reading through stop codons,
27:30.1 it's generally not going to create a good trait,
27:32.2 and so that one in a million cell might die
27:35.0 #NAME?
27:38.1 But you can imagine that, if the environment changes,
27:42.1 and that's what we found,
27:43.2 is that in different environments,
27:46.2 prions could sometimes give cells an ability to survive conditions
27:49.1 that they otherwise could not possibly survive,
27:52.2 then the cells would now be able to live in an environment
28:00.2 where they otherwise wouldn't be able to live.
28:02.1 They would proliferate,
28:04.1 the non-prion cells might disappear,
28:05.2 and this allows this genome,
28:07.2 the prion would allow this genome
28:09.1 to survive under conditions
28:11.1 when those cells would otherwise not be able to survive,
28:13.1 because the formation of that prion
28:15.2 has allowed all kinds of new genetic variation to be exploited,
28:18.2 some of which is beneficial.
28:20.2 Now, the cool thing is that
28:22.3 because this is all tied to protein homeostasis in the cell,
28:26.2 under conditions when the environments have changed
28:28.2 where cells are not doin' so well,
28:31.2 and protein homeostasis is not going so well,
28:33.2 they are more likely to switch.
28:37.1 And of course the return
28:39.2 is also going to be influenced by stress.
28:42.3 So, the protein homeostasis.
28:45.1 if cells change.
28:47.1 the prion may be really great here,
28:49.0 but if the environment changes,
28:50.3 under these new circumstances,
28:52.1 the prion might not be so good,
28:54.0 but under those stressful conditions,
28:55.3 they'd be more likely to try out
28:58.0 the loss of the prion,
29:00.2 because chaperones have been upregulated
29:03.1 and they've destabilized the whole system.
29:07.1 So, we decided to look for new prions.
29:14.2 How many new prions might there be?
29:18.0 We surveyed the yeast genome
29:19.2 and we found that there were
29:23.1 about 100 proteins that had domains on them
29:25.0 that looked a lot like the Sup35 domain,
29:27.3 and so we decided,
29:29.3 because we know so much about Sup35
29:31.2 and how it behaves and looks
29:33.2 when it changes into a prion state,
29:35.1 we borrowed that prion domain of Sup35,
29:37.2 we took it away,
29:40.3 and we added the prion domain
29:43.1 of these other potential new prions.
29:46.1 And sure enough,
29:48.2 when we tested them out,
29:50.1 many, many different protein domains
29:52.2 had the ability to switch cells from red to white
29:54.3 in a very heritable way.
29:57.1 Once the cells switched from red to white,
29:59.2 they could be struck out
30:02.2 and maintain that characteristic
30:05.0 for generation after generation,
30:06.2 and in every case that depended upon
30:09.3 the formation of prion amyloids,
30:12.1 and, in fact, it depended upon Hsp104.
30:16.1 So, we also went back,
30:18.1 not just to the prion domain that we were testing,
30:21.2 but we went back to the endogenous protein
30:24.1 and asked whether those proteins could switch states.
30:26.3 We couldn't handle all of them,
30:29.1 but we looked at several of them
30:31.2 and they created some really interesting beneficial new traits,
30:33.1 and intriguingly many of those proteins
30:36.1 are RNA binding proteins or DNA binding proteins,
30:41.0 so they sit in the middle of regulatory networks
30:42.3 in such a way that
30:44.3 they're really primed to change
30:47.1 the way information is being decoded
30:49.0 and really create some really complex, novel, new traits.
30:51.1 Here's just one example.
30:52.3 So, this is the prion known as MOT3,
30:56.2 and that's the prion- cell
30:59.0 and that's the prion+ cells
31:01.1 growing in rich media.
31:03.1 These are a variety of cells that have the prion.
31:05.2 And now we wash away that media.
31:08.2 sorry, these cells from that media,
31:12.0 and we look to see
31:15.2 if any of the cells remain,
31:17.2 and in fact the prion, in this case,
31:20.2 has allowed many of these cell types
31:23.0 to acquire a new invasive growth phenotype.
31:27.2 It also has create a capacity,
31:30.2 in some of the strains,
31:32.3 to flocculate, that is, to group together,
31:35.0 which really changes their growth properties.
31:36.3 It really makes them, in many ways,
31:39.0 function as a community of yeast rather than as individuals.
31:42.2 And you can see that in different strains,
31:45.0 we're getting different phenotypes.
31:47.0 So, again, a variety of different phenotypes,
31:50.0 and MOT3, by the way,
31:52.1 is a transcription repressor,
31:54.1 so when it goes into the prion state
31:56.1 it can alter the expression of lots of different genes.
32:01.2 So, this had us excited and we were very, very interested in it,
32:04.1 and a lot of other people thought it was very interesting too,
32:08.0 but there were also a lot of skeptics.
32:10.1 And with good reason,
32:12.1 because after all Saccharomyces cerevisiae
32:14.2 is the best understood organism on the planet,
32:17.2 so the question arises,
32:19.2 well, if there's so many of these things,
32:21.2 why weren't these discovered before?
32:23.3 And I have an answer to one aspect of that question,
32:29.0 because I took the Cold Spring Harbor yeast course
32:31.2 many years ago.
32:33.1 It was a wonderful, wonderful course
32:35.2 and I learned so much,
32:37.0 and it empowered my research in so many ways,
32:38.2 but there was one thing
32:40.2 that was very interesting about that course.
32:42.0 They told us that whenever we found a new phenotype,
32:44.2 a new trait in a yeast cell,
32:49.1 you should cross it back to the original
32:51.1 and then look for it to segregate two-to-two,
32:54.3 so that you had some clean system in which to investigate.
32:56.2 And things that didn't segregate two-to-two
32:59.0 were complex
33:01.0 and would be too difficult to deconstruct,
33:02.2 and you shouldn't work on them.
33:04.2 Since we've been talking about these prions,
33:07.1 I've actually had an awful lot of people come up to me and say,
33:09.2 "I had these weird traits in yeast
00:33:11.17 that were segregating that way too
00:33:13.09 and my advisor made me give it up."
33:15.2 So, I think this is kind of a wonderful story
33:17.2 where we really get into habits
33:22.0 of doing science in particular types of ways,
33:24.1 and we really need to remember
33:26.2 that it's sometimes time to break away from those.
33:29.1 Anyway, the other criticism was,
33:32.2 well, so far these things had only been found
33:35.0 in laboratory strains
33:36.3 and maybe it was just an artifact of laboratory strains,
33:38.2 so we went to the same broad group of strains
33:42.1 that we'd worked with with our Hsp90 investigations,
33:46.1 strains collected from all over the world
33:48.2 with all sorts of different properties
33:51.0 and lots of different ecological niches,
33:54.2 and we asked whether or not any of them had prions.
33:59.1 And we found that a lot of them did.
34:03.2 So, here's an example of a prion that exists in a wild strain of yeast,
34:09.1 it's a wine strain,
34:10.3 and this is the cells growing in grape must media,
34:13.3 and it turned out that we were able to create
34:16.1 isogenic cells in which we
34:18.2 caused the cells to lose the prion.
34:20.1 It didn't really make any difference, really,
34:22.1 to their growth on normal media,
34:24.1 rich media that we use in the laboratory,
34:26.0 but when you look at their ability to grow
34:28.1 in grape must medium,
34:30.0 that growth was really dependent upon the prion.
34:34.0 So the prion was creating, in this case,
34:36.0 a very valuable trait for that strain.
34:40.1 And we have found, in fact,
34:43.0 that prions very frequently create
34:45.2 interesting new traits that can be beneficial.
34:49.0 In fact, in the strains that we've looked at so far,
34:51.2 about 25% of these traits
34:54.2 allow the cells to grow under conditions
34:56.1 where they otherwise just simply could not grow.
34:58.2 So, again, because they normally appear
35:01.2 quite rarely
35:03.0 and you only lose a small percentage of the cells
35:04.3 if they're not beneficial,
35:06.1 but when they do appear they allow cells to grow
35:08.1 under conditions where they couldn't otherwise,
35:10.1 we think this is a really plausible
35:12.2 bet-hedging strategy
35:14.3 for the acquisition of genetic diversity in the organism,
35:20.3 creating lots of new phenotypes,
35:23.0 which allows it to exploit fluctuating environments
35:26.1 and grow in a variety of different situations.
35:28.3 And I just showed you one phenotype from PSI
35:31.3 we've seen many phenotypes from many other prions as well,
35:36.1 and in fact,
35:38.1 although we haven't identified many of the prions
35:40.1 that exist in those strains,
35:41.2 the genetic behavior tells us that
35:43.2 about 236 out of the 700 wild yeast strains we looked at
35:48.1 do carry prions.
35:50.0 So, the final part of this story that I want to tell you about
35:55.0 concerns the ways in which a prion
35:58.2 can influence the dynamics of the growth
36:02.2 of these microbes in communities.
36:04.2 Now, of course,
36:07.1 almost all experimental investigations in the laboratory
36:11.2 work with organisms in pure culture,
36:15.2 so, yeast growing or bacteria growing,
36:18.0 and that's natural that we started out doing experiments that way,
36:20.2 because otherwise we have everything all mixed up
36:23.2 and it's just impossible to do
36:26.2 the kinds of experimental investigation
36:28.3 that we needed to do over the last century
36:30.2 to understand biological systems.
36:33.2 But organisms never, virtually never,
36:37.3 grow under those circumstances in the wild.
36:39.3 In the wild, they grow in mixed communities.
36:43.3 So, what I'm going to tell you about is just the first case, I think,
36:49.0 of a prion influencing the dynamics of
36:53.3 community, organization,
36:56.0 and organismal communication
36:58.0 to create more diverse and more robust communities.
37:01.3 It's the only we've really looked at so far
37:04.2 and my guess is that that's just, again,
37:06.2 the tip of the iceberg.
37:08.2 So, yeast cells have
37:13.0 a very particular type of metabolism.
37:15.2 They're very, very fastidious,
37:17.1 and that's the reason why we love them.
37:19.1 When we give them glucose,
37:21.1 sugars like from grapes,
37:23.0 they take those sugars
37:25.3 and they convert them into ethanol extremely efficiently.
37:27.1 They don't use the ethanol.
37:29.1 They only make the sugars into ethanol
37:31.3 only when all the sugar is exhausted
37:34.1 do they start turning around and using the ethanol.
37:36.2 So they will not grow on another carbon source
37:42.1 if there's any glucose present --
37:45.1 very, very fastidious.
37:49.1 But we found a prion
37:52.2 that cells can acquire
37:54.2 that allows them to bypass this system.
37:55.3 They don't grow quite as well in pure glucose
38:00.2 when they have that prion,
38:01.2 and that's probably why this was
38:04.0 not really found and looked at before,
38:06.0 but in mixed carbon sources
38:08.2 where there's other carbon sources around,
38:10.2 and a little bit of glucose too,
38:12.2 those cells can now grow when they otherwise
38:15.1 would not be able to.
38:17.2 So, how did we investigate this story?
38:20.3 Well, we took advantage of a glucose mimetic.
38:24.1 It's a compound called glucosamine,
38:27.2 that looks just like glucose, probably to most of you,
38:31.1 and it does to the yeast cells
38:32.3 -- it has this little amino group here --
38:35.0 but what it does is the yeast cells
38:37.3 take this glucosamine up, they think they're in glucose,
38:39.2 and the shut off the pathways for utilization
38:42.2 of all other carbon sources.
38:45.2 And so here you see an example of this.
38:48.0 We've got cells growing without the prion.
38:52.2 Growing in pure glycerol they're just fine,
38:55.3 but if you try to get them to grow in glycerol
38:57.3 with just a little bit of this glucosamine in there,
39:00.1 they think,
39:01.3 "Oh no, I do not want to use any other carbon source,
00:39:03.14 I only want to use glucose,
00:39:05.13 and I won't use that other carbon source
00:39:07.11 until all the glucose is gone,"
39:09.0 they can't metabolize it, so they're just stuck.
39:12.2 This allowed us to search for strains
39:15.2 that might bypass that metabolic problem,
39:22.1 and allow the cells to grow in the presence
39:25.1 of other carbon sources
39:27.0 when there was a little bit of glucose present.
39:28.3 And as you can see, we've got strains here
39:31.1 that do that very, very well.
39:32.2 This strain is genetically identical to this strain
39:36.1 and we've tested that in many, many ways.
39:38.2 Moreover, these cells,
39:41.1 once they acquire that ability to grow on that other carbon source,
39:44.2 can be processed and passaged
39:47.0 for hundreds of generation,
39:49.1 back on pure glucose,
39:51.2 but they remember.
39:53.0 They retain that trait,
39:54.2 it's a biological memory,
39:57.1 and they retain that trait for many, many generations.
40:01.2 That allows them, next time they're put on
40:04.0 that diverse carbon source,
40:06.1 to be able to grow on them.
40:08.1 So, it really changes their metabolic potential
40:11.2 in a really quite strong way.
40:14.2 Now, the cool thing about this
40:17.1 in terms of functioning in a community.
40:19.1 when you think about it,
40:21.1 carbon source utilization strategies
40:23.0 might change quite a bit
40:25.1 depending on whether you have other neighbors that are competing with you
40:27.2 for those carbon sources.
40:30.1 And this is something we found actually by accident.
40:33.2 Jessica Brown was working on strains,
40:37.0 looking at what causes prion switching,
40:39.2 and she suddenly found a colony
40:42.2 around which there were all kinds of strains
40:44.2 that had switched into the prion state,
40:46.1 and that colony in the middle was a bacteria.
40:48.2 So, in this experiment we tested that more rigorously.
40:52.2 Do bacteria have the capacity to secrete a factor
40:55.2 that will cause the yeast cells
40:57.2 to switch their metabolism in a heritable way
41:00.1 by the induction of this prion?
41:02.0 So, in this experiment, what we've done
41:04.0 is we've plated.
41:06.0 left these wells empty
41:07.3 and we've plated the gar- yeast cells here,
41:11.0 the GAR+ yeast cells
41:13.1 -- GAR is for glucose-associated repression,
41:14.2 I should have said that, that's the name of that prion --
41:17.0 and then we've plated gar- cells here.
41:20.3 So, these cells, remember, are genetically identical
41:23.3 the only difference between them is that
41:26.1 these cells have switched into a prion state
41:28.2 that is inherited in a non-Mendelian fashion,
41:33.2 because it's based upon protein-based inheritance.
41:36.1 And the cells are being plated on glycerol
41:39.0 with, again, just a little bit of glucosamine.
41:42.1 And you can see, by the way,
41:43.2 that the cells do switch spontaneously,
41:45.0 every once in a while,
41:46.3 into this prion state,
41:48.1 which allows them to grow,
41:49.2 but they really only switch that way every once in a while.
41:52.0 This is a dilution of strains across this plate.
41:57.1 Now, the next experiment is done exactly the same way,
42:00.0 except we're going to plate bacteria
42:03.1 that seem to have the capacity to induce this prion here.
42:06.1 And what you can see is that
42:09.0 the presence of the bacteria on that plate.
42:11.1 a substance has diffused down the plate
42:15.1 and influenced these yeast cells here
42:18.1 to now switch their metabolic state
42:20.3 and be able to grow under this condition
42:22.1 when they otherwise wouldn’t,
42:24.1 but it's a diffusible compound
42:26.2 and it doesn't get far enough
42:28.1 to get all the way down to this row, here.
42:30.0 We established by lots of experiments
42:33.0 that I won't take the time to show you,
42:34.2 but we could use conditioned media that bacteria had grown in,
42:39.1 and get rid of the bacteria,
42:40.2 and we could use the conditioned media
42:43.1 to induce this heritable trait.
42:46.2 So, what happens?
42:48.2 The cells usually are using glucose
42:50.2 and they make lots of ethanol and only some ATP,
42:53.1 but when they're in the presence of glucose
42:55.1 and other carbon sources,
42:57.0 this prion now allows them
42:59.0 to make less ethanol,
43:01.3 but lots of ATP,
43:04.2 and what does that do?
43:06.1 It causes both organisms to flourish.
43:10.1 So, it turns out that when the yeast cells switch,
43:15.1 as I mentioned,
43:16.2 it allows them to grow on different kinds of carbon sources,
43:18.1 even when glucose is present.
43:19.2 It also, for reason we don't quite understand,
43:22.2 creats increased longevity in those cells
43:25.1 #NAME?
43:27.3 for much longer periods of time --
43:29.1 and the bacteria get a big advantage out of it,
43:32.1 because the yeast cells are making less ethanol
43:36.2 and that means that the bacteria
43:39.2 can grow up to much higher concentrations,
43:41.1 because the bacteria don't like ethanol
43:43.0 #NAME?
43:45.0 Now, it turns out that this is
43:47.3 a very highly conserved property of yeast and bacterial strains
43:50.3 from all over the world.
43:52.2 We've found lots and lots of yeast strains
43:57.1 are capable of this kind of a switch,
43:59.0 and many, many different bacteria
44:01.1 are capable of inducing it.
44:03.1 But does it matter in the real world?
44:05.1 Well, I can tell you one way in which it clearly matters in the real world,
44:08.1 and that is it spoils wine fermentations.
44:12.2 So, the yeast are making less ethanol,
44:15.0 they're making other kinds of metabolic byproducts,
44:17.1 and it really makes lousy wine,
44:19.1 and in fact it turns out the bacteria
44:22.2 that contaminate spoiled wine preparations,
44:25.3 that winologists have been studying
44:28.1 for a long period of time,
44:30.0 turn out to be super-inducers.
44:33.0 They make lots of this compound that switches the yeast cells
44:36.1 into this new prion state.
44:38.2 So, the yeast get tremendous advantages out of it,
44:42.1 the bacteria get tremendous advantages out of it,
44:44.1 it's to the detriment of man,
44:46.3 but to the benefit of both those organisms.
44:48.3 And again, in terms of the conservation of this,
44:51.2 across tens of millions of years of yeast evolution,
44:55.2 these strains have really exactly.
44:58.2 what seems to be exactly the same mechanisms.
45:01.2 Bruxellensis, which has diverged from Saccharomyces.
45:05.3 these strains don't have it,
45:07.1 they have a different kind of metabolic profile.
45:09.2 bruxellensis is another yeast
45:13.1 that has that same kind of fastidious lifestyle
45:15.0 in terms of carbon utilization
45:17.1 that Saccharomyces has,
45:18.2 and it also has that GAR prion-like state.
45:20.3 Even pombe, which diverged hundreds of millions of years ago,
45:25.1 although the mechanism isn't quite the same,
45:27.2 has the capacity to switch into an epigenetic state
45:31.2 that changes its metabolism heritably,
45:34.0 so vast amounts of evolutionary distances.
45:36.1 these abilities to switch carbon source in a heritable way,
45:40.3 induced by environmental factors,
45:42.2 has been conserved.
45:44.0 So, here we have really
45:46.0 what I consider the ultimate example of Lamarckian evolution.
45:49.1 We have chemical communication
45:52.1 between a prokaryote and a eukaryote
45:54.2 that transforms metabolism in a heritable way,
45:58.1 and the simple exposure of the yeast cells
46:01.1 to that chemical compound
46:03.2 causes them to change their biology
46:07.1 in a way that's heritable
46:09.1 for hundreds of generations.
46:14.1 So, again,
46:17.0 when considering Jean-Baptiste Lamarck,
46:19.2 I think it's time to give him back his dignity.
46:22.2 There are mechanisms by which changes in the environment
46:25.2 can produce new traits
46:28.1 that can be passed on to progeny.
46:31.0 So, once again,
46:32.3 I want to end my lecture
46:34.2 by acknowledging the amazing and wonderful people
46:36.2 in my laboratory
46:37.3 who have done this work over the years.
46:40.1 I've spoken about things that each of them have done
46:44.0 and if you're interested in this work,
46:46.1 I would really urge you to take a look at some of the papers.
46:49.1 I think they're pretty cool.
46:52.0 Thank you.

  • Part 1: Protein Folding in Infectious Disease and Cancer

How does protein folding cure cancer?

Been watching the P vs NP problem, and it said that if you find the solution for protein folding, you'll cure cancer. How does that work?

I'm not really following the logic here, the "solution" to protein folding would indeed be very scientifically advantageous but I'm not comfortable extrapolating that into a cancer cure. Could you post a link to this discussion you're referencing?

Take a look at the science behind the [email protected] project:

WHAT IS PROTEIN FOLDING AND HOW IS IT RELATED TO DISEASE? Proteins are necklaces of amino acids, long chain molecules. They are the basis of how biology gets things done. As enzymes, they are the driving force behind all of the biochemical reactions that make biology work. As structural elements, they are the main constituent of our bones, muscles, hair, skin and blood vessels. As antibodies, they recognize invading elements and allow the immune system to get rid of the unwanted invaders. For these reasons, scientists have sequenced the human genome – the blueprint for all of the proteins in biology – but how can we understand what these proteins do and how they work?

However, only knowing this sequence tells us little about what the protein does and how it does it. In order to carry out their function (e.g. as enzymes or antibodies), they must take on a particular shape, also known as a “fold.” Thus, proteins are truly amazing machines: before they do their work, they assemble themselves! This self-assembly is called “folding.”

WHAT HAPPENS IF PROTEINS DON’T FOLD CORRECTLY? Diseases such as Alzheimer’s disease, Huntington’s disease, cystic fibrosis, BSE (Mad Cow disease), an inherited form of emphysema, and even many cancers are believed to result from protein misfolding. When proteins misfold, they can clump together (“aggregate”). These clumps can often gather in the brain, where they are believed to cause the symptoms of Mad Cow or Alzheimer’s disease.

So by understanding how / why some proteins mis-fold, we have a better understanding of how to react to the diseases that arise.


Why do proteins fold

When talking about proteins, it always leads us to thinking about an important nutrient needed by the body to function normally. But, did you know that proteins can be more than that? In actuality, proteins do play a very important role for the body to perform its specialized tasks and in maintaining a healthy condition. The lack of it and its inability to perform its function†may lead to an illness, or worst it can put one’s life at risk.

Proteins are often described as a string of amino acids, 20 in all wherein 14 of them can be naturally produced by the body. Proteins are known to function in many important ways that includes repairing tissues, building up muscles, keeping the hair, nails, and skin healthy, functions as an enzyme and hormone, a source of energy, aids in muscle contraction, transport of essential nutrients, keeping the body hydrated, helps in digesting food, and the likes.

In order for proteins to perform their essential bodily functions, it is first required to fold†into a very intricate three-dimensional structure, and the process that it undergoes is called folding†. It is believed that proteins fold in order for it to achieve the lowest potential energy it needed to arrive at its targeted shape.

Proteins can fold into different shapes like round, long, strong, or elastic. However, it remains a continuous mystery for scientists on how proteins are able to determine its folding pattern since there is no such thing as a fixed†protein folding blueprint that exists even now.

When proteins are unable to fold properly (or misfold†) they may aggregate†and create a lump. Medical conditions like Alzheimer’s disease, cystic fibrosis, emphysema, Huntington’s disease, mad cow disease, and several cancers are believed to have been a result of a protein misfold.


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EVALUATION

The first part of the evaluation was designed to assess the degree to which they understood and followed the directions. I collected a sample of 24 folded wires after the lecture. The majority (19 or 79%) had between six and eight amino acids. Twelve of the 24 “polypeptides” (50%) made by the students had a mixture of hydrophobic, cationic, and anionic side chains another eight (33%) had hydrophobic and either cationic or anionic side chains. Only four of the 24 (17%) polypeptides had only hydrophobic side chains or were uninterpretable. Overall, 79% had an acceptable structure: six to eight side chains and a mixture of hydrophobic and charged side chains. Several wires from this sample are shown in Figure 3. The best of these (Figure 3a) clearly shows the different side chain types others (Figure 3, b–d) show some of the mistakes that students made. These mistakes include having more hydrophilic than hydrophobic side chains (Figure 3b), having only hydrophobic and cationic side chains (Figure 3c), and not twisting the wire properly (Figure 3d).

Figure 3. Some sample unfolded protein chains made by students. Side chain types are indicated as follows: P, hydrophobic +, cationic and −, anionic. Wires a, b, and c are satisfactory wire d is not.

What did you learn about proteins from the wire demonstration?

What about proteins was still unclear after the wire demonstration was finished?

How could the wire demonstration be improved?

Give one feature of the wire demonstration that accurately simulates the way proteins fold and explain why it is realistic.

Give a feature of the wire demonstration that does not accurately simulate the way proteins fold and explain why it is unrealistic.

How could the wire demonstration be improved?

When asked what they had learned from the demonstration (survey A, question 1), 63 responses (77%) mentioned at least one of the major concepts. When asked what was still unclear (survey A, question 2), only 11 (13%) of the responses listed any of the major learning goals. Similarly, 59 (82%) of the responses reported that at least one of the major concepts was represented accurately by the activity (survey B, question 1) and only 11 (15%) of the responses indicated that one of these was not represented accurately by the activity (survey B, question 2).

These results can be further analyzed by the specific type of response, as shown in Tables 1 and 2. Table 1 shows the eight most frequent response classes to the questions that asked for what the students learned or what was represented accurately (survey A and B, question 1). The three major concepts are the most frequently given responses. Students' responses also show several other notable learning outcomes including a “feel” for the process and an understanding of the difference between backbone and side chains. Table 2 shows the eight most frequent response classes to the questions that asked for what was still unclear or not accurately represented by the activity (survey A and B, question 2). Only one of the three learning goals (Concept [2]) is represented in these responses and was only mentioned by three students (4%). The most frequent category of response was that the exercise was fine as it is. These responses also reveal some physical difficulties with the wire and suggest that taking more time with the activity would be productive.

Table 1. Survey responses: positive outcomes

Table 2. Survey responses: negative outcomes

Finally, both versions of the survey asked how the activity could be improved. Responses to this question from all 154 surveys were pooled to give Box 1. The majority (52%) of the responses said that the activity was fine as it is. The remainder suggested various improvements to the activity some of which we will adopt in future lectures (clearer instructions and taking more time to explain the activity).

81 (52%) “None,” blank, “fine as it is.”

13 (8%) “Use more flexible wire.”

8 (5%) “Color wire by amino acid properties.”

7 (4%) “Spend more time on the demonstration.”

5 (3%) “Give clearer twisting instructions.”

5 (3%) “Give clearer folding instructions.”

4 (2%) “Allow neighbors to attach wires together.”

3 (2%) “Explain denaturation more.”

Do you remember this demonstration? (circle one) Yes No

Si vous avez répondu « Oui » à (1i), veuillez décrire ce que vous vous souvenez avoir appris de cette démonstration. Si « Non », passez à (2).

35 Interactions hydrophobes/hydrophiles. Notion (2).

29 Processus de repliement des protéines. Conception (1).

8 Les interactions des chaînes latérales déterminent la structure.

7 Les boucles de formes différentes représentent différents types de chaînes latérales.

6 Interactions ioniques. Notion (2).

2 Chaîne dorsale versus chaîne latérale.


Remerciements

Pour les commentaires et les idées très utiles, à la fois sur cette revue et à travers les discussions en cours au fil des ans, nous sommes profondément reconnaissants à D. Wayne Bolen, Hue Sun Chan, John Chodera, Yong Duan, Walter Englander, Frank Noe, José Onuchic, Vijay Pande, Jed Pitera, Kevin Plaxco, Adrian Roitberg, George Rose, Tobin Sosnick, Bill Swope, Dave Thirumalai, Vince Voelz, Peter G Wolynes et Huan-Xiang Zhou. Nous devons tout particulièrement nos remerciements et notre appréciation à Buzz Baldwin, à qui ce volume de la Revue annuelle de biophysique est dédié, non seulement pour son intérêt et son engagement avec nous sur les questions de repliement des protéines au cours des nombreuses années, mais aussi pour son leadership pionnier et fondateur dans l'ensemble du domaine. Nous apprécions le soutien de la subvention NIH GM 34993, de l'Air Force et de la Fondation Sandler.


Voir la vidéo: La synthèse protéique (Décembre 2022).