Pagaripärmi adhesiinid

Adhesiinid on molekulid rakupinnal, mis vahendavad adhesiooni ehk kinnitumist nii abiootilistele pindadele kui ka teistele rakkudele. Nendeks on peamiselt valgud või polüsahhariidid. Pagaripärmil (Saccharomyces cerevisiae) on leitud 9 erinevat adhesiini. Pärmi adhesiinidel on erinevaid füsioloogilisi funktsioone, olles seega olulised nii paardumisel, pseudohüüfide tekkel, biokile moodustumisel, flokulatsioonis, invasiivses kasvus. Pagaripärmi adhesiinid kuuluvad suurde glükosüülfosfatidüülinositool-ankurdatud (GPI-ankurdatud) rakuseina glükoproteiinide perekonda. Pärmide adhesiinid on väga mosaiiksed valgud, neil on palju domeene mitmesuguste ülesannete täitmiseks. Paiknemine rakupinnal määrab domeenide järjestuse, mis omakorda määrab ka nende üldise ülesehituse. Domeenid võib üldiselt jagada kolmeks: N-terminaalne ehk aminoterminaalne domeen sisaldab ligandi seondumiskohti. Domeen paikneb väljaspool rakuseina ja koosneb mitmesajast aminohappest ning sisaldab piirkondi, mis kontrollivad kõiki funktsionaalseid osi sel valgul. Võrreldes N-terminaalse domeeniga teatakse kesksest domeenist pagaripärmi puhul palju vähem. Siiski on bioinformaatiliste meetoditega kindlaks tehtud, et keskne domeen koosneb sadadest aminohapetest ning on väga seriini- ja treoniinirikas, mistõttu saab seal toimuda laiaulatuslik N- ja O-glükosüleerimine. C-terminaalne ehk karboksüterminaalne domeen sisaldab kinnitumiskohta GPI-ankrule, mis lisatakse endoplasmaatilises retiikulumis. Selline modifikatsioon võimaldab kinnituda valkudel lipiidsesse kaksikkihti. Seente (sealhulgas pagaripärmi) vahendatud adhesiooni saab jagada kaheks: Lektiinilaadne adhesioon on sõltuv adhesiini seondumisest teise raku pinnal paiknevale suhkrujärjestusele. Siia gruppi kuuluvatel adhesiinidel paikneb vastav seondumiskoht N-terminaalses domeenis. Lektiinilaadne adhesioon jagatakse omakorda kaheks: flo1- ja uusflo-tüüpi adhesiooniks. Flo1-tüüpi adhesiinid on võimelised seonduma ainult mannoosile, uusflo-tüüpi on aga võimelised seonduma mitmesugustele suhkrutele. Suhkrute suhtes mittetundlik adhesioon on vahendatud selliste adhesiinide poolt, mis seonduvad suhkrute asemel peptiididega või tõstavad rakupinna hüdrofoobsust, sealjuures vahendades raku ja teatud abiootilise pinna vahelisi hüdrofoobseid interaktsioone. Pagaripärm on võimeline eksisteerima kas haploidsena või diploidsena. Haploidid ekspresseerivad üht kahest paardumistüübist, a või alfa. Samuti ekspresseerivad mõlemad paardumistüübid aglutiniini. A-tüüp tunneb ära alfa-tüübi poolt sekreteeritud alfaaglutiniini ja alfa-tüüp omakorda a-tüübi eritatud a-aglutiniini. Kahe aglutiniini seondumine üksteisega toimub rakkude pinna kaudu ning vahendab haploidsete rakkude ühinemist diploidseks. A-aglutiniin koosneb kahest alaühikust – AGA1 ja AGA2 geenide produktidest – Aga1 ja Aga2 valkudest. Aga1 on polüpeptiid, mida suudavad ekspresseerida mõlemad paardumistüübid. Aga2 alaühik annab a-aglutiniinile seondumise spetsiifilisuse ja on ekspresseeritud ainult a-paardumistüüpi rakkudes. Aga2 alaühik seondub alfaaglutiniiniga. Alfaaglutiniin koosneb globulaarsest peaosast ja kõrgelt glükosüleeritud varreosast. Alfaaglutiniin seondub a-aglutiniiniga. Fig2 valk sarnaneb Aga1 valguga. Lisaks paardumisele on see oluline ka invasiivseks kasvuks agaril. Aglutiniinid paiknevad rakuseina välispinnal. Nende kontsentratsioon 100 nm läbimõõduga rakkudevahelises alas on 10–100 μM. Selliste kontsentratsioonide puhul on üksteisega seondumine üsna aeglane. Paljud adhesiinid vahendavad interaktsioone pärmirakkude vahel, et moodustada agregaate. Sellist interaktsiooni nimetatakse flokulatsiooniks või agregatsiooniks. Flokulatsioon ja agregatsioon on aseksuaalsed protsessid – võivad toimuda mis tahes paardumistüübiga rakkude vahel ja ei ole osalised paardumisel. Flokulatsiooni protsess on sõltuv kaltsiumist. Flokuliinid on lektiinid – valgud, mis seonduvad rakupinnal paiknevatele süsivesikutele. Pagaripärmil on viieliikmeline flokuliini-geenide perekond. Geenide FLO1, FLO5, FLO9 ja FLO10 kodeeritud valgud on võimelised flokuleeruma. Geeni FLO11 poolt kodeeritav valk aga ei flokuleeru. Kõigil neist valkudest on erinevad omadused, näiteks erinev seondumise tugevus, agregaadi suurus, süsivesikute äratundmine. Flo1 on rakuseina valk, mis seondub teiste rakkude pinnal paiknevatele mannoosiahelatele. Flo1 on Flo1-tüüpi flokuliin. Flo1-tüüpi flokuliinid on tundlikud mannoosile – mannoos inhibeerib nende adhesiooni. See tüüp on põhjustatud spetsiifilisest N-terminaalsest mannoosi seondumise domeenist. Flo1-tüüpi flokuliinid ei ole tundlikud glükoosi, sahharoosi, maltoosi ega galaktoosi suhtes. Flo5 on väga sarnane Flo1 flokuliiniga. Valk seondub samuti teiste rakkude pinnal paiknevatele mannoosiahelatele ja on inhibeeritav mannoosi poolt. Flo9 on väga sarnane Flo1 ja Flo5-ga – tegemist on flo1-tüüpi flokuliiniga, mis seondub teiste rakkude mannoosiahelatele. Flo10 on samuti rakuseina valk, mis on vajalik flokulatsiooniks. Enamikus laboritüvedes sellele valgule vastav geen ei ekspresseeru. Kui Flo10 üle toota, indutseerib see flokulatsiooni, mida saab inhibeerida mannoosi, sahharoosi või glükoosiga. Samuti algatab ületootmine haploidsetel pärmirakkudel invasiivset kasvu ja diploidsetel rakkudel filamentset kasvu. Lg-Flo1 on Flo1 valgu homoloog, mis isoleeriti õlletööstuses kasutatavate pagaripärmide tüvedelt. Antud valk on uusflo-tüüpi, mis tähendab, et valku saab inhibeerida mannoosi, glükoosi, maltoosi ja sahharoosiga, aga mitte galaktoosiga. Flo11 on kõige enam uuritud FLO-geenide poolt kodeeritav flokuliin pagaripärmis. See GPI-ankrut sisaldav valk on vajalik pseudohüüfide tekkeks, invasiivseks kasvuks, biokile moodustumiseks, aga see ei osale flokulatsioonis. Flo11 võimaldab pärmil kohaneda muutuvate toitainete hulgaga keskkonnas. Erinevalt teistest flokuliinidest ei ole Flo11 lektiinilaadne valk, kuid kuulub Flo1-tüüpi adhesiinide hulka. FLO1, FLO5, FLO9 ja FLO10 geenid paiknevad subtelomeersetes alades, FLO11 paikneb telomeeri piirkonnast tunduvalt kaugemal. FLO1 ja FLO9 paiknevad esimeses, FLO5 kaheksandas, FLO10 üheteistkümnendas, FLO11 üheksandas kromosoomis. AGA1 paikneb telomeeri ja tsentromeeri keskel, FIG2 asub tsentomeeri lähedal. AGA1 asub nejateistkümnendas, AGA2 seitsmendas ja FIG2 kolmandas kromosoomis. Subtelomeersel paiknemisel on mõju nii FLO geenide evolutsioonile kui ka geneetilisele regulatsioonile. FLO geenide kromosomaalne paiknemine on lisaks oluline ka nende ekspressiooniks, sest (sub)telomeersed alad on altid juhuslikele geenide vaigistamise mehhanismidele. Adhesioonigeenid aktiveeritakse teatud keskkonnamuutuste tagajärjel, näiteks süsiniku- ja/või lämmastikuallika nälja, pH muutuste või etanoolitaseme tõusu puhul. Mitteadhesiivsete rakkude ümberlülitumine adhesiivseteks lubab pärmidel ilmselt kohaneda stressitingimustega. Näiteks FLO11 geeni aktivatsioon lämmastikunälja puhul põhjustab pärmirakkude kinnitumist mitmetele substraatidele (agarile, plastile). Pärmirakkude võime kinnituda erinevatele pindadele on nii meditsiiniliselt kui ka tööstuslikult tähtis. Adhesioon abiootilistele pindadele, näiteks kateetritele või proteesidele, võib osutuda heaks võimaluseks patogeensetele pärmidele, mis on seeläbi võimelised pääsema patsientide vereringesse. Lisaks saavad mitmed patogeensed seened seeläbi kinnituda peremeeskudedele ja nii põhjustada infektsioone. Tööstuslikult on adhesioon oluline näiteks šerri tootmisel, kus käärimisprotsessi lõpus tõusevad pärmirakud vedeliku pinnale ja moodustavad selliseid struktuure (kutsutakse ka flor-pärmikihiks), mis puutuvad kokku õhuga. Sellisel kihil on parem võimalus omastada hapnikku ja rakud on seeläbi võimelised kasutama mittekääritatavaid süsinikuallikaid. See on vajalik andmaks šerrile iseloomuliku aroomi. Anne M. Dranginis, Jason M. Rauceo, Juan E. Coronado, Peter N. Lipke (2007) "A Biochemical Guide to Yeast Adhesins: Glycoproteins for Social and Antisocial Occasions" Microbiology and Molecular Biology Reviews Vol.71. No.2 p. 82-294 Stefan Brückner, Hans-Ulrich Mösch (2012) "Choosing the Right Lifestyle: Adhesion and Development in Saccharomyces cerevisiae" FEMS Microbiology Reviews 36(1):25–58 H. D. Mortensen, K. Dupont, L. Jespersen, W. G. T. Willats, N. Arneborg (2007) "Identification of Amino Acids Involved in the Flo11p-mediated Adhesion of Saccharomyces cerevisiae to a Polystyrene Surface Using Phage Display with Competitive Elution" Journal of Applied Microbiology 103 p.1041-1047 Lo WS, Dranginis AM (1996) "FLO11, a Yeast Gene Related to the STA Genes, Encodes a Novel Cell Surface Flocculin" Journal of Bacteriology 178(24) p.7144-7151 Kevin J. Verstrepen, Frans M. Klis (2006) "Flocculation, Adhesion and Biofilm Formation in Yeasts" Molecular Microbiology 60(1) p.5-15 Beth A Montelone (2002) "Yeast Mating Type" Encyclopedia of Life Sciences http://www.yeastgenome.org Katty Goossens, Ronnie Willaert (2010) "Flocculation Protein Structure and Cell-cell Adhesion Mechanism in Saccharomyces cerevisiae" Biotechnology Letters 32, 11, p.1571-1585 Sebastiaan E. Van Mulders, Els Christianen, Sofie M. G. Saerens, Luk Daenen, Pieter J. Verbelen, Ronnie Willaert, Kevin J. Verstrepen, Freddy R. Delvaux (2008) "Phenotypic Diversity of Flo Protein Family-mediated Adhesion in Saccharomyces cerevisiae" FEMS Yeast Research 9 p.178-190