Studying the mechanisms of the differential effects of the Sis1 chaperone on yeast prions

Abstract

Прионы дрожжей - это наследственные цитоплазматические детерминанты белковой природы, представляющие из себя белковые агрегаты, способные к самовоспроизведению за счет превращения растворимого белка в прионную форму. Прионы дрожжей - удобная модель для изучения взаимодействия белковых агрегатов с системой контроля качества белков в эукариотических клетках. Главным компонентном этой системы, регулирующим распространение прионов дрожжей, является молекулярный шаперон Hsp104, который катализирует фрагментацию прионных фибрилл. Сверхпродукция Hsp104 в клетках препятствует поддержанию некоторых прионов, однако механизм такого “излечения” не зависит от фрагментации агрегатов и, вероятно, связан с их удержанием в материнской клетке. Важно заметить, что кошапероны группы Hsp40, также участвующие в жизненном цикле прионов дрожжей, противоположным образом влияют на поддержание различных прионов дрожжей и, более того, способны стимулировать различные активности Hsp104. Sis1 является одним из основных белков группы Hsp40 в клетке дрожжей и играет важнейшую роль в поддержании большинства известных прионов. В данной работе нами показано, что изменение внутриклеточного баланса Sis1 споосбен разнонаправленно влиять на прионы дрожжей, усиливая проявление [PSI+] и излечивая [URE3]. Для выяснения молекулярных механизмов этих эффектов нами разработан и применен метод количественной оценки параметров взаимодействия шаперонов с амилоидными агрегатами прионогенных белков в системе in vitro. Данный метод позволил нам обнаружить систематические различия в эффективности формирования комплексов Sis1 с амилоидными фибриллами различных белков - так, связывание Sis1 с фибриллами Sup35NM было значительно эффективнее, чем с фибриллами Rnq1, но формируемые комплексы не являются детергент-устойчивыми. Более того, мы обнаружили, что делеция димеризационного домена Sis1 ослабляет его взаимодействие с фибриллами. Наконец, мы показали, что прямая взаимосвязь между силой связывания Sis1 с фибриллой и эффективностью привлечения к ней шаперонов других групп отсутствует. Полученные результаты указывают на потенциальную роль силы связывания Hsp40 с амилоидными фибриллами в определении их судьбы в клетках дрожжей. Это, в свою очередь, подчеркивает сложность взаимодействия системы контроля качества белка с прионными агрегатами.

Yeast prions are hereditary cytoplasmic determinants of protein nature, which are protein aggregates capable of self-replication by converting soluble protein into a prion form. Yeast prions are a convenient model for studying the interaction of protein aggregates with the protein quality control system in eukaryotic cells. The main component of this system, which regulates the propagation of yeast prions, is the molecular chaperone Hsp104, which catalyzes the fragmentation of prion fibrils. Overproduction of Hsp104 in cells prevents the maintenance of some prions, but the mechanism of such curing is independent of the fragmentation of aggregates and is probably related to their retention in the mother cell. It is important to note that cochaperones of the Hsp40 group, also involved in the yeast prion life cycle, affect the maintenance of various yeast prions in opposite ways and, moreover, are capable of stimulating various Hsp104 activities. Sis1 is one of the major proteins of the Hsp40 group in the yeast cell which plays a crucial role in the maintenance of most of the known yeast prions. In this work, we show that alterations of the intracellular balance of Sis1 have a differential effect on yeast [PSI+] and [URE3] prions, strengthening the former while curing the latter. To elucidate the molecular mechanisms of these effects, we developed and applied a method for quantitative evaluation of the parameters of chaperone interaction with amyloid aggregates of prionogenic proteins in vitro. This method allowed us to reveal systematic differences in the efficiency of Sis1 complex formation with amyloid fibrils of various proteins. Thus, Sis1 binding to Sup35NM fibrils was significantly more efficient than that to Rnq1 fibrils, but the complexes formed were not detergent-resistant in either case. Moreover, we found that deletion of the dimerization domain of Sis1 weakens its interaction with fibrils. Finally, we showed that there is no direct correlation between the binding strength of Sis1 to the fibril and the efficiency of attracting chaperones of other groups to it. The results indicate a potential role for the affinity of Hsp40 to amyloid fibrils in determining their fate in yeast cells. This, in turn, emphasizes the complexity of the interaction of the protein quality control system with prion aggregates.