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面包酵母显示基因相互作用如何影响令人惊讶的细胞结果

大多数疾病都很复杂-由多个基因的缺陷引起-但是研究不同遗传变异的组合如何影响细胞性状具有挑战性。弗雷德里克·罗斯(Frederick Roth)小组的一项新研究今天在《细胞系统》(Cell Systems)杂志上发表,该研究使用面包酵母作为模型系统,以展示一种新方法来了解基因如何以意想不到的方式相互作用。

面包酵母显示基因相互作用如何影响令人惊讶的细胞结果

Donnelly Center团队先前对酵母细胞的研究揭示了基因如何成对和三联结合地相互作用,其中考虑了酵母基因组中几乎所有6,000个基因。

现在,罗斯是唐纳利细胞与生物分子研究中心的分子遗传学和计算机科学教授,也是多伦多西奈卫生系统的伦嫩费尔德-塔嫩鲍姆研究所的资深科学家,他想进一步研究并研究更大的基因组一起工作。

他决定将重点放在一组16个基因上,这些基因编码称为ABC转运蛋白的蛋白质,可以从细胞中抽出毒素和废物。ABC转运蛋白存在于细胞表面,并与耐药性有关。

ABC转运蛋白是将小分子泵出细胞的关键方法。它们是抗癌药的主要来源,也是细菌和真菌对抗生素的抗药性。

罗斯的团队开发了一种通用策略,即X基因遗传分析或XGA,以了解扰动许多不同基因组合的影响。为了证明这种方法,他们设计了5000多个酵母菌株,每个菌株都缺少16个ABC转运蛋白基因的随机子集,并测试了每种菌株在接触16种不同药物时的生长能力。

每个ABC转运蛋白都能够从特定的有害分子子集中清除细胞。因此,对于任何给定的药物,都希望淘汰ABC转运蛋白将什么都不做,或者会使酵母菌对该药物更敏感。就一线抗真菌药物氟康唑而言,删除PDR5基因可使细胞对氟康唑高度敏感。考虑到已知PDR5转运蛋白可以抽出氟康唑,因此可以预料。

但是在某些情况下,去除转运蛋白可以增强而不是降低细胞对药物的抵抗力。例如,当删除基因SNQ2时,细胞对氟康唑的耐药性增强。甚至更令人惊讶的是,有一些例子表明,去除更多的转运蛋白具有协同作用,从而导致高度耐药的细胞。

随着研究人员开始从酵母中去除某些转运蛋白基因,细胞生长得更好,直到缺少四个基因的菌株的生长速度是包含所有基因的“健康”菌株的两倍。当去除了已知的氟康唑出口者PDR5时,细胞再次对氟康唑变得敏感,这表明这四个转运蛋白通常“阻碍”了PDR5的生长,因此随着这些基因中更多基因的缺失,其活性也随之提高。但是,如何发生尚不清楚。

根据关于这些基因的所有已知知识,实验室的博士后研究员,论文的主要作者Albi Celaj开发了一种计算“神经网络”模型,该模型表明这四个基因可以至少两种不同的方式抑制PDR5。罗斯的团队与Donnelly中心的教授Igor Stagljar的团队合作,证实了这种模型。他们表明,这四个基因都可以抑制细胞产生的PDR5转运蛋白,并且SNQ2和YOR1转运蛋白可以直接与PDR5结合,从而提供了抑制PDR5转运蛋白活性的潜在直接机制。

罗斯说:“我们从前知道PDR5是氟康唑的主要外排泵。” “但是现在我们发现了这个由五个基因组成的故事,我们需要删除四个基因以获得最大的抵抗力,但是删除第五个基因[PDR5]完全可以逆转这种影响。”

罗斯希望其他组织也可以利用XGA策略(该策略可以应用于其他基因组和潜在的人类细胞)来尝试弄清遗传效应的其他复杂组合。

除了为高级基因相互作用提供新的见解之外,该发现还揭示了细胞可获得抗药性的分子机制,对开发新的治疗方法具有重要意义。

这项工作是与东京大学先进科学与技术研究中心的副教授Nozomu Yachie合作完成的。

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