• AntifreezeProteinek

Bevezetés

Az antifreeze proteinek (AFP, fagyásálló fehérjék) a sarkköri éghajlaton élő állatok túlélését segítik azáltal, hogy gátolják a jégkristályok növekedését a testfolyadékban. E növekedésgátlás pontos folyamata, mechanizmusa még nem ismert, mert hihetetlen fejlett számítógépes technika szükséges a jégkristályokon található antifreeze proteinek kötőhelyeinek megállapításához.

Az antifreeze proteinek típusai.

Alaninban gazdag alfa-hélixet tartalmazó antifreeze proteineket - I.típus - különböző halfajok termelik 3 eltérő rendszerből, hogy védelmet nyújtson számukra jeges tengervízben is egyaránt. A különböző típusok (I., II., III.) és az antifreeze glycoproteinek (AFGP) változatosságának eredete azzal magyarázható, hogy a halak különböző családjaiban hogyan jelent meg a tengerszint jegesedéséhez való alkalmazkodás. A különböző típusú AFP jelenléte a távoli rokonságban álló halaknál a laterális géntranszportnak tulajdonítható. Ez a strukturálisan komplex globuláris II.típusú lectin szerű antifreeze proteinek és az antifreeze glicoproteinek párhuzamos evolúcióban esetében valósul meg.IV-es típusú AFP-k fontos szerepet játszanak a zebrahal embriók fejlődésében

AFP-IV-ek trópusi halakban is jelen vannak, ami felveti a kérdést, hogy vajon lehet-e ezeknek a fehérjéknek a fagyásgátláson kívül más funkciójuk is. Zebrahalban mind az AFP-IV-a és AFP-IV-b specifikusan a YLS (Yolk Syncytial Layer)-ben választódtak ki. Érdekes módon az AFP-IV-a szintetizálása folytatódik az YLS-ben és az emésztőrendszerben a korai embrió kortól egészen a kifejlett példányokig, míg AFP-IV-b termelés csak az embrionális fejlődés folyamán történik. Az AFP-IV-nek fontos szerepe van az összehajló mozgásfolyamatokban, ezért mindkét afp4 protein szükséges a zebrahal embriók emésztőrendszerének fejlődéséhez.

Az antifreeze proteinek dinamikus szerkezetének hatása.

• Algák, rovarok, halak elbővülő képessége, hogy a fagyásgátló fehérjék (antifreeze proteinek=AFP) és az antifreeze glikoproteinek segítségével átvészeljék, túléljék a fagyás mechanizmusát. Ezek felületaktív molekulák, amelyek a víz-jég közötti határfelületen hatnak és akadályozzák meg a teljes dermedést. Különböző szervezetek szintetizálják őket, hogy sejtjeik ne sérüljenek, még az északi régiókban mért nagyon alacsony hőmérsékleten sem. A Ginzburg-Landau típusú megközelítés során a fázis elkülönítés eredményeként két-komponensű rendszert (jég-AFP) állapították meg. A szabad-energia sűrűség két területet foglal magában: az egyik a jégfázis alacsony AFP koncentrációval, a másik a folyékony víz fázis magas AFP koncentrációval van összefüggésben. Az idő alakulásával a jég felfedi a fázis elválasztásból eredő mikrostruktúrális változásokat az AFP-k jelenlétében. A fagyásgátló fehérjék hatására a szemcsék záródása, csoportosulása révén gyorsabban létrejön a jeges szerkezet, mely lényegében dinamikai folyamat. Ha a következőkben vízhozzáadás után a vízmolekulák adszorpciója gátlódik, a jégkristályok további növekedése is megáll. Az AFP-k által létrejött alacsony víz-jég közötti határfelületi energia lehetővé teszi a kisebb kritikus jég-magok kialakulását.

Az antifreeze fehérje maradványok körüli felületi víz dinamika.

• Az antifreeze proteinek fagyásgátló aktivitását egy rövid-idejű hatás határozza meg, mely magában foglalja a jégfázishoz történő közvetlen kötődést. További kísérletek során felfedeztek egy hosszú-idejű hatást is, melynek során a víz dinamikájának erőteljes gátlása figyelhető meg, illetve ezáltal lehetővé válnak a jég-kötő folyamatok. Ezekért a hatásokért legfőképpen a fagyásgátló glikoproteinek (AFGP) felelősek. A különböző fagyálló protein maradványok körüli víz molekulák dinamikáját az atomi molekuláris dinamikai szimulációk segítségével vizsgálhatják. Az AFP prototípusát az antarktiszi nototheniadiből a fő alegységgel az alanin-alanin-threoninnal (AAT) egy mutánssal (polyalanin) együtt, a fagyálló glikoproteinek maradványaival mutatták ki. E prototípus körül a víz dinamikája erősen gátlódik a hidrogénkötés jellemzői és a dipoláris relaxációs idő következtében. Számos eredmény utal rá, hogy kiemelkedő jelentőségűek a poláris egységek, mint a threonin és a diszacharidok, melyek közvetlenül kötődnek a vízmolekulákkal a H-kötés révénés így jelentős gátló hatást fejt ki a víz dinamikájára. A hidratációs dinamika jelentős változása figyelhető meg az ozmotikumok jelenlétében, mint a karbamidban és a hydroxyectoine-ben. Az eredmények azt mutatják, hogy ez a hatás még kifejezettebb kozmotróp ozmotikumok jelenlétében.

• Genomevolúció a hidegben – az antarktiszi jéghal

• A Chionodraco hamatus egy, a jéghalak családjába (Channichthyidae) tartozó csontos hal faj, amely a Déli-sarkvidéken él. Ezen család tagjai az állandóan hideg és oxigén dús antarktiszi vizekben alakultak ki, megszerezve ezzel egyedi adaptációkat, morfológiai, élettani, és biokémiai szinten. A jéghalaknak, hasonlóan más Déli-sarkvidéki sugaras úszósokhoz, nincs úszóhólyagjuk és olyan antifreeze glikoproteineket (AFGPs) termelnek, amelyek kulcs innovációs lépést jelentenek a vér és testfolyadékok fagyásának kivédésében, amikor a környező hőmérséklet -1,86 Celsius fokra csökken. Ezen felül nem jelentkezik náluk a hősokk válasz sem. A jéghalak (Channychtyidae) vérében ezen felül kevés az oxigénkötő fehérje, és más szélsőséges tulajdonságaik is vannak, például az aerob szöveteikben igen sok a mitokondrium. Ezen halakról jelenttették meg, hogy a génállomány bővülése az evolúció velejárója, mégis a genetikai információ csekélysége határozza meg a sugaras úszójú halak hidegadaptációjának megértését. Rekonstruáltuk és feljegyeztük a Chionodraco hamatus (jéghal) első vázizom transzkriptumát, ellátva egy új forrással a jéghallal foglalkozó genomikát. Kihasználtuk a mély szekvenciáit ennek az energiaigényes szövetnek, hogy vizsgáljuk a feltételezést a gének szelektív duplikátum készítéséről, magában foglalva a mitkondriális funkciókat is. Kifejlesztettünk egy bioinformatikai megközelítést, hogy egyértelműen meghatározzuk a C. hamatus transzkriptumát, amivel egy törzsfejlődési ág öt modell fajából kiválasztottuk a közös őstől származó csoportot. A Chionodraco hamatus duplikátumait megtalálták minden közös őstől származó csoportban, lehetővé téve ezzel a jéghal leszármazására specifikus génduplikációk azonosítását. Szignifikánsan több duplikátumot találtak a jéghalban, amikor a transzkriptum adatokat a modell faj teljes genomjának adataival hasonlították össze. Sőt, a megkettőződött gének szignifikánsan gazdagabbak voltak mitokondrium lokalizációval rendelkező fehérjékben, beleértve a mitokondriális funkciókat és a biogenezist. Hideg állapotok között és oxigént szállító fehérje nélkül, az energiatermelés kihívást jelent. Az összetétele a magas mitokondriális sűrűségnek és a másolt gének fenntartásának – beleértve a mitokondriális biogenezist és az aerob légzést -, adhat egy szelektív előnyt azáltal, hogy fokozza az oxigén diffúziót és az energia tartalékokat az aerob szövetekben. (2013, Coppe A, Agostini C, Marion IA, Zane L, Bargelloni L, Bortoluzzi S, Patarnello T)

Ozmózisnyomásra adaptív válaszok a szivárványos lazac szemében

A szivárványos lazac (Osmerus mordax) egy csontos hal faj, amely úgy védekezik a fagyás ellen, hogy látszólag izoozmotikussá válik a tengervízzel. Ez a faj - hasonlóan más hideghez adaptálódott tengeri fajokhoz -, ciszteinben gazdag II.-es típusú antifreeze proteineket termel, bár csak kevés mennyiségben. Abban viszont eltér a többi fajtól, hogy glicerin, karbamid és trimetilamin-oxid termelődik a vérplazmájában és egyéb szöveteiben, ezzel az ozmotikus nyomás 325-ről 1000 mosmolra nő. A hatások, amelyek ilyen masszív változásokat hoznak létre az osmolaritásban, megtalálhatók a látás rendszerében és a nagyon fejlett és specializált keringési rendszerben, nem ismertek. Az új ismeret a szivárványos lazac szemének osmotikus adaptációjában szorosan összefügg e faj adaptációjával és túlélésével, és azon képességével, hogy a környezeti nyomás ellenére vizuális ragadozóként táplálkozik. Továbbá a szivárványos lazac molekuláris fiziológiai válasza az ozmotikus nyomásra, értékes betekintést nyújthat az emlősök kóros hyperozmotikus állapotainak – mint például a diabétesz -, megértésébe és kezelésébe. Ezen tanulmány által magunkra vállaltuk a feladatot, hogy egy eredeti értékelést adunk a szivárványos lazac ozmotikus adaptációja alatt zajló gén kifejeződésről a szem keringésében. Azoknál a lazacoknál - amiket kevesebb, mint 0,5 Celsius fok alatt tartottak -, szignifikánsan nőtt az üvegtestet kitöltő folyadék glicerin szintje és ozmotikus nyomása, azokéhoz képest, mint amiket 8-10 Celsius fokban tartottak. A 8-10 Celsius fokhoz alkalmazkodott mintapéldányokhoz képest a kevesebb, mint 0,5 fokon adaptálódottak csodarece erei és az érhártya ereinek endotheliális béléséhez kapcsolódó régiók magasabb szintű kifejeződését mutatják egy Tubedown (Tbdn) nevű proteinnek, ami a transzcelluláris endotheliális átjárók jelzőanyaga. Az emlősök Tbdn-jének és zonula occludens protein 1-ének (ZO-1) lazaccal ortológ fehérjéit is western blotting-gal mutatták ki, olyan emlős ellenes ellenanyagokat használva, amik ugyanazon epitópok ellen hatnak, mint amiket immunhisztokámiára használnak.Ez a tanulmány szolgáltat elsőként bizonyítékot arról, hogy a lazacok szemében fagyásgátló és hideg adaptációs folyamatok során olyan molekulák termelődnek és szabályoznak különböző módon, amikről tudjuk, hogy szerepet játszanak a szem vaszkuláris homeosztázisának kialakításában. Elővezetünk egy feltételezést, miszerint a hideg indukált hyperosmolaritás állapotában a ZO-1 kifejeződésében történő változások kapcsolatban vannak a kisméretű oldott anyagok a plazma térből, a szemet kitöltő folyadékba való áthaladásával, mialatt a Tbdn kifejeződésében történő változások szabályozzák a fehérjék vándorlását a plazma tér és a szemet kitöltő folyadék között. Az emlősökben előforduló cukorbetegség okozta hyperglikémia helyi, intraoculáris és mikrokörnyezeti ozmotikus stresszt okoz, ami a glikozilezés olyan megnövekedett mennyiségű végtermékeihez vezet, amelyek kapcsolatba hozhatók mikrovaszkuláris sérülésekkel a retinán. Annak természete, hogy a retina kóros elváltozásának hogyan áll ellen az ozmotikus stresszhez adaptálódott lazac szeme, olyan értékes és új nézőpontokat nyújhat, amelyek hasznosak lehetnek a diabetikus vasculopátia patobiológiájának megértéséhez az emlősökben. Ez a kutatás kibővítheti az alapvető tudásunkat olyan mechanizmusokról, amelyek alapjául szolgálnak a vér-retina gát metabolikusan lényeges összetevőkhöz, mint például a glicerinhez való alkalmazkodásának. ||<tablestyle="float:right; font-size: 0.85em; background #eeeeee; margin: 0 0 0 0; "style="padding: 0.5em;#:> | lazac szem}}
"1. Ábra"
lazac szem ||

Ősi klímaváltozás, antifreeze és a déli-sarkköri halak diverzitásának evolúciós változása

A Déli-óceán a Déli-sarkkör a Föld leggyorsabban melegedő régiói között van, de az elmúlt 40 millió évben epizódszerű klímaváltozások történtek ezen a területen. Egyelőre tisztázatlan, hogy a klímaváltozás ősi ciklusai hogyan alakították az antarktiszi biodiverzitást. Az antarktiszi sugaras úszójú halakban lévő antifreeze glikoproteinek (AFGPs) eredete egy klasszikus példa lett arra, hogy egy kulcs innováció evolúciója válaszolva a klímaváltozásra hogy vezet adaptívszétterjedéséhez.A sugaras úszójúak időhöz kalibrált molekuláris fejlődéstörténetének és rekonstruált ősklíma használatával demonstráltuk, hogy az AFGP eredete 42 és 22 évmillió közötti időszakban bukkant fel, amely magába foglalja a globális lehűlés időszakát körülbelül 35 évmilliónál. Azonban a leg fajgazdagabb leszármazások váltak változatossá és szignifikáns ökológiai különbségek alakultak ki legalább 10 millió évvel az AFGP-k keletkezése után a második lehűlés alatt a késői miocénban. Ez a példa mutatja, hogy az AFGP nem az egyetlen kiváltó oka volt a sugaras úszójúak adaptív széterjedésének. Ehelyett kiváltó oka volt a késő miocén alatt és a korai pliocénban létrejött nagymértékű fajgazdagságnak és az ökológiai változatosságnak, ami időben egybeesett a sarkköri állapotok kialakulásával és a megnövekedett jég aktivitással a Déli-óceánban. Az eredményeink megkérdőjelezik a jelenlegi értelmezését az antarktiszi sugaras úszójú halak evolúciójának felvetve, hogy az ökológiai lehetőség - ami az alapjául szolgál ennek az adaptív szétterjedésnek-, nincs összeköttetésben egy egyedüli jelleggel, hanem inkább az AFGP-k által biztosított fagyás kivédés, és a megnövekedett glaciális és jégmező aktivitás által létrejött új élőhelyek és nyitott rések kihasználásának kombinációjával.