Studujeme laterální uspořádání biologických membrán do mikrodomén, tj. malých oblastí specifického tvaru, složení a funkce. Důraz přitom klademe na jejich zapojení do regulace buněčných procesů v reakci na podněty z okolního prostředí. S maximálním využitím výhod geneticky přístupného kvasinkového modelu zkoumáme zejména roli těchto membránových mikrodomén ve vnímání stresu a stresové adaptaci, v signalizaci a v regulaci buněčného metabolismu. Tyto membránové funkce předpokládají komunikaci mezi různými mikrodoménami, a to jak v jedné konkrétní membráně, tak mezi různými specializovanými membránami v rámci membránového systému eukaryotní buňky. Nedávno jsme například popsali, jak protein přirozeně se vyskytující v doménách plazmatické membrány ovlivňuje morfologii a funkční vlastnosti mikrodomén v membráně vakuoly.
Zastavení glykolýzy je nezbytnou podmínkou pro navázání evolučně konzervované exoribonukleázy Xrn1 na plazmatickou membránu
Ukázali jsme, že membránová vazba Xrn1 závisí spíše na glykolytickém toku než na dostupnosti fermentovatelného uhlíku, je nezávislá na aktivitě TORC1 a vyžaduje klíčové eizozomální proteiny Pil1 a Lsp1. Kromě toho jsme prokázali, že při expresi v Saccharomyces cerevisiae se lidský ortolog Xrn1 chová stejně jako jeho kvasinkový protějšek. Rozšiřujeme tak dosavadní poznatky o regulaci Xrn1 a naznačujeme, že tento regulační mechanismus je zachován od kvasinek až po člověka.
Lidský Xrn1 se váže na eizozomy. Subcelulární lokalizace kvasinkového Xrn1-GFP a jeho lidského ortologa HsXrn1-GFP byly porovnány v postdiaxických (nefermentujících) buňkách před (levý sloupec) a po přidání exogenní glukózy do kultivačního média (vpravo). Všimněte si shodných rozmístění obou proteinů exprimovaných v xrn1Δ kmeni kvasinek. Měřítko: 5 μm.
Publikace:
Mondal S, Zahumensky J, Vesela P, Malinsky J. Conserved mechanism of Xrn1 regulation by glycolytic flux and protein aggregation. Heliyon 10 (19):e38786 (2024)
Lsp1 je schopen sestavovat eisosomy za stresových podmínek
Eisosomy jsou proteinové komplexy, jež stabilizují mikrodomény v plazmatické membráně buněk mnoha organismů. Jejich strukturním základem jsou BAR doménu obsahující proteiny rodiny Pil1. Kvasinka Saccharomyces cerevisiae má dva takové proteiny, Pil1 a Lsp1. Za normálních podmínek vede delece genu PIL1 ke ztrátě eisosomu. Zjistili jsme, že za stresu Lsp1 částečně nahrazuje funkci Pil1 a stačí k sestavení eisosomu. Naše výsledky identifikují Lsp1 jako důležitý regulátor buněčné stresové odpovědi.
Za stresových podmínek Lsp1 nahrazuje funkci Pil1 při sestavování eisosomů.Elektronmikroskopické snímky plazmatické membrány získané metodou mrazového lámání v buňkách kvasinek divokého typu (A; normální stav) a pil1Δ (B,C; normální stav a solný stres). Všimněte si přítomnosti membránových invaginací (žlábků) v C. (D–G) Detailní pohled na žlábky v buňkách pil1Δ vystavených solnému stresu (F odpovídá oblasti v černém čtverci v C). Měřítka: 500 nm (A–C), 200 nm (D–G).
Publikace:
Vesela P, Zahumensky J, Malinsky J. Lsp1 partially substitutes for Pil1 function in eisosome assembly under stress conditions. J Cell Sci. 136 (3):jcs260554 (2023) 36
Dvě různé fosfolipázy C, Isc1 a Pgc1, spolupracují při regulaci mitochondriální funkce
Mitochondrie se neustále přizpůsobují změnám v dostupnosti živin a vnějším stresům. Navrhli jsme model, ve kterém je tato adaptace zprostředkována lipidy. Konkrétně jsme ukázali, že mitochondriální fosfolipidy regulují biosyntézu buněčných sfingolipidů a naopak. Tímto způsobem je buňka schopna koordinovat strukturu a výkonnost mitochondrií s aktuálními potřebami celkového buněčného metabolismu. Zdá se, že jde o univerzálně použitelný princip buněčné regulace.
Mechanismus vzájemné regulace fosfolipáz Isc1 a Pgc1. Dva lipidy, diacylglycerol (DAG) a fosfatidylglycerol (PG), inhibují klíčové enzymy mitochondriální biosyntézy fosfolipidů: (i) PG-fosfát syntázu Pgs1, (ii) fosfatidylserin (PS) dekarboxylázu Psd1 a (iii) inositolfosfingolipid fosfolipázu C Isc1. Posledně jmenovaná je zvláště důležitá, protože ceramid, produkt hydrolýzy katalyzované Isc1, inhibuje Pgc1, PG-specifickou fosfolipázu C, která degraduje PG za vzniku DAG. Celá smyčka zajišťuje účinnou kontrolu syntézy PG (kardiolipinu) a fosfatidyletanolaminu (PE) v kontextu environmentálních stresových podnětů ovlivňujících biosyntetickou dráhu sfingolipidů. OMM – vnější mitochondriální membrána; IMM – vnitřní mitochondriální membrána; IPC – inositolfosfoceramid.
Publikace:
Balazova, M., Vesela, P., Babelova, L., Durisova, I., Kanovicova, P., Zahumensky, J., Malinsky, J.: (2022) Two different phospholipases C, Isc1 and Pgc1, cooperate to regulate mitochondrial function. Microbiology Spectrum. 10(6): e02489-22.
Mikrodoménový protein Nce102 je lokálním senzorem rovnováhy sfingolipidů v plazmatické membráně
Sfingolipidy, základní stavební kameny eukaryotických membrán a důležité signální molekuly, jsou regulovány v závislosti na podnětech z prostředí. Ukázali jsme, že množství proteinu Nce102 v plazmatické membráně je měřítkem aktuální potřeby sfingolipidů v buňce, zatímco jeho lokální distribuce označuje místa s vysokou poptávkou po sfingolipidech. Hmotnostní spektrometrická analýza odhalila snížené hladiny hydroxylovaných komplexních sfingolipidů v reakci na stres u buněk, kterým Nce102 chybí.
Protein Nce102 mikrodomény plazmatické membrány se podílí na regulaci metabolismu sfingolipidů. (A) Syntéza sfingolipidů, důležitých strukturních a signálních molekul, byla inhibována přidáním myriocinu v čase t = 0 min. Jak kvasinkové buňky rostly a dělily se, bodový vzor typický pro Nce102-GFP v mateřských buňkách vymizel v důsledku snížení obsahu sfingolipidů. V dceřiných buňkách zůstal Nce102-GFP distribuován rovnoměrně a nebyl lokalizován do mikrodomén. Měřítko: 5 μm. (B) Delece genu NCE102 vedla ke změnám v úrovni tříd sfingolipidů. V nepřítomnosti Nce102 se snížilo buněčné množství bází s dlouhým řetězcem (PHS, DHS). Naopak hladina fytoceramidu (PhytoCer) byla obecně zvýšena. Množství některých komplexních sfingolipidů (IPC a MIPC) bylo zvýšeno, jiných sníženo. LFC: log 2 násobná změna oproti buňkám divokého typu.
Publikace:
Zahumenský, J., Fernandes, C.M., Veselá, P., Del Poeta, M., Konopka, J.B., Malínský, J.: (2022) Microdomain Protein Nce102 Is a Local Sensor of Plasma Membrane Sphingolipid Balance. Microbiology Spectrum. 10(4): e0196122.
2024
mSphere. 2024 Dec 19;9(12):e0039124. doi: 10.1128/msphere.00391-24. Epub 2024 Nov 29.
