Megbeszélés

A jelen tanulmány eredményei első ízben bizonyítják az ergoszterol szintézisének kulcsfontosságú szerepét az élesztők szárító/nedvesítő kezelésekkel szembeni ellenálló képességében (2. ábra). Az ebben a vizsgálatban vizsgált EBP (erg6Δ törzs) legkorábbi szteroljának, a zimoszterinnek ergoszterinnel való helyettesítése lehetővé tette a rezisztencia visszaállítását a WT törzsnél megfigyelt szintre (2. táblázat). A zimoszterinből ergoszterinné történő bioszintézis során végbemenő fő kémiai átalakulások a B-gyűrű és az alifás farok telítettségének megváltozása (1B. ábra). Ezek a fokozatos módosulások hozzájárulhatnak a molekulák biofizikai tulajdonságainak optimalizálásához az EBP egymást követő lépéseiben, és magyarázatot adhatnak a szárítási/nedvesítési ciklusokkal szembeni ellenállás növekedésére. Eredményeink azt mutatják, hogy a három legkorábban vizsgált mutáns (erg6Δ, erg2Δ és erg3Δ) rendkívül érzékeny a szárításra/nedvesítésre. A rezisztencia növekedésének első törését az EBP mentén az erg5Δ törzsnél észleltük. Ez fokozatosan nőtt az erg4Δ-vel, hogy a WT törzsnél elérje a maximális értéket (2. ábra). Az utóbbi három törzs által felhalmozott fő szterolok kémiai szerkezetét két kettős kötés jelenléte jellemzi a B-gyűrűben (1B. ábra). Gyökös támadás során ezek a konjugált kettős kötések lehetővé teszik a szterolgyökök stabilizálását rezonancia révén (a párosítatlan elektron delokalizációja). Ez a kémiai tulajdonság magyarázatot adhat az oxidációval járó szárítással/nedvesítéssel szembeni túlélésre gyakorolt kedvező hatásra (Garre et al. 2010), mivel az E-vitaminhoz hasonlóan védi a foszfolipideket a peroxidáció ellen (Packer 1991). Az EBP korai szakaszában mutációval rendelkező három törzs által felhalmozott fő szterolok egyedi kettős C-C kötéssel rendelkeznek a C-7,8 vagy C-8,9 pozícióban, távol a hidroxilcsoporttól, ami nem segíti elő a gyök rezonancia általi stabilizálását. Ez magyarázhatja az erg6Δ, erg2Δ és erg3Δ törzsek nagyfokú érzékenységét a légköri levegőn történő szárításra. Az erg5Δ, erg4Δ és WT törzseknél megfigyelt fokozatos ellenállásnövekedés az EBP vége felé (2. ábra) összefügghet a szterolok alifás végei közötti különbséggel (1B. ábra). A farokszerkezet ugyanis befolyásolja a szterolok planaritását, ami meghatározza a membránban elfoglalt helyzetüket (Xu és London 2000; Bakht és London 2006). Így az ergoszterol útjának utolsó lépései lehetővé tehetik a szterolok jobb illeszkedését a membránba, módosítva az olyan paramétereket, mint például a lipid kettősrétegen belüli mélységük, hogy optimalizálják a foszfolipidek oxidációval szembeni védelmét. A lipidek oxidációval szembeni, szterolok által közvetített védelmét már kimutatták modellmembránokon (Wiseman 1993), de biológiai sejteken még soha nem bizonyították. Eredményeink először mutatnak összefüggést a szterolok jellege és az oxidációval szembeni ellenállás között. Emellett alátámasztják azt a hipotézist, amely szerint a szterolok az oxidációval szembeni ellenálló képességet adhattak a sejteknek, amikor a földi oxigénezés során megemelkedett az oxigénszint (Galea és Brown 2009; Brown és Galea 2010). E tanulmány szerzői valóban arra a következtetésre jutottak, hogy a szterolok szintézise, amely egy oxigénfüggő folyamat (1A. ábra), adaptív válasz lehetett a földi oxigénszint emelkedésére.

A nitrogén alatt végzett szárítási kísérletek minden vizsgált törzs esetében magasabb túlélési arányt eredményeztek, mint a levegőn végzett szárítási kísérletek (2. ábra). A szárítás alatti oxigénhiány hatása erős volt az EBP korai komponenseiben mutációval rendelkező törzsek esetében, csökkent az EBP későbbi komponenseiben mutációval rendelkezők esetében, és csekély volt a WT törzs esetében. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az oxidáció jelentős szerepet játszik a légköri körülmények közötti szárítás letális hatásában. Mivel azonban az erg6Δ, erg2Δ, erg3Δ és erg5Δ esetében az elhalási arány jelentős maradt, amikor a szárítást nitrogén alatt végeztük, arra következtetünk, hogy az oxidáción kívül más tényezők is hozzájárulnak a sejtek elhalásához a szárítás során. Az egyik ilyen tényező lehet a plazmamembránra nehezedő súlyos mechanikai nyomás, amely a sejtek ozmotikus transzferrel történő vízveszteségéből ered (Dupont és mtsai. 2010). Valóban, a szterolok természete közismerten befolyásolja a plazmamembrán tulajdonságait, például a fluiditást (Abe és Hiraki 2009) és a deformáció típusait (Bacia és mtsai. 2005; Dupont és mtsai. 2011). A membrántulajdonságok ezen módosításai hiperozmotikus stressz során az erg6Δ törzsben plazmamembránrepedéshez és sejthalálhoz vezettek, a WT-ben azonban nem (Dupont és mtsai. 2011). Az uralkodó szterol jellege és a membrántulajdonságok közötti kapcsolat a szterolmolekula szerkezetén alapul, beleértve annak síkbeli szerkezetét, méretét és a kis poláris 3-OH csoport tulajdonságait (Xu és London 2000). Különösen a szterol B-gyűrűjének C-7,8 kettős kötése, amely csak az erg5Δ, erg4Δ és WT törzsekben van jelen (1B ábra), ismert, hogy részt vesz a plazmamembrán pakolásában és általános merevségében (Xu és London 2000; Bakht és London 2006). Így a szterolok kémiai szerkezetének evolúciója az EBP-ben egyrészt javíthatja e molekulák antioxidáns és mechanikai stabilizáló szerepét a plazmamembránban, másrészt magyarázatot adhat az élesztőtörzsek szárítással/nedvesítéssel szembeni ellenállásának az EBP mentén történő fokozatos növekedésére.

Klasszikus laboratóriumi körülmények között a szterinek jellege nincs hatással az élesztőnövekedésre. Valóban, a WT és az ergΔ törzsek ugyanolyan kinetikával növekedtek teljes táptalajon (az adatok nem láthatóak). Más szterolok (koleszterin, desmoszterin vagy kámeszterin) genetikai transzformációval indukált felhalmozódása az élesztőkben nem befolyásolja a sejtnövekedést (Souza és mtsai. 2011). A szterolok jellege tehát döntő fontosságú a sejtek számára stresszkörülmények között. Az a tény, hogy az EBP lefelé haladása növeli az élesztők ellenállóképességét a szárító/nedvesítő eseményekkel szemben, potenciális kapcsolatot hoz létre ezen útvonal és a gombák azon képessége között, hogy fennmaradjanak a határfelületi élőhelyeken. Ez az eredmény fontos következményekkel jár a Bloch-hipotézisre nézve, amely azon a megfigyelésen alapul, hogy a szterol-útvonalak párhuzamosak a szterolok evolúciójával, és hogy az egyes lépések termékének jobban kell támogatnia a sejtes és fiziológiai funkciókat, mint az előfutáraiknak (Bloch 1983). Ezt a hipotézist azonban, amelyet elsősorban a szterolok szerkezeti funkciójára vonatkozóan vizsgáltak, kísérleti tényekkel soha nem támasztották alá. A koleszterin útvonalában például kimutatták, hogy egyes prekurzorok hatékonyabbak a koleszterinnél a raft stabilizálásában egy modellmembránban (Bakht és London 2006). Az ergoszterol részvétele az élesztők szárító/nedvesítő eseményekkel szembeni ellenállásában állhat az EBP evolúciójának és az ergoszterol szárazföldi gombákban való széles körű jelenlétének hátterében (Weete és mtsai. 2010). A szterolok kémiai szerkezetének evolúciója az EBP-ben valóban javíthatta e molekulák antioxidáns és mechanikai stabilizáló szerepét a plazmamembránban, és magyarázhatja az élesztőtörzsek kiszáradással/nedvesítéssel szembeni ellenállásának fokozatos növekedését az EBP mentén. Ez a sejtes kontextusban végzett vizsgálat szolgáltatja az első kísérleti adatokat, amelyek alátámasztják a Bloch-hipotézist.

Az ergoszterolnak az élesztők természetes környezetben való fennmaradásában betöltött jelentős szerepének látszó szerepe ellenére Weete és munkatársai, akik a gombák szterolok diverzitásának kérdésével foglalkoztak, kimutatták, hogy az ergoszterol nem az egyetlen szterol ebben a birodalomban (Weete és munkatársai 2010). E tanulmány eredményei alátámasztják azt az elképzelést, hogy a koleszterin tekinthető a legprimitívebb gombaszterolnak, és hogy az ergoszterol sajátos szerkezetének evolúcióját a fejlődő gombákra jellemző funkcionális követelmények irányították. A koleszterint felhalmozó primitív gombák ugyanis flagelláltak és vizes közegben élnek (James et al. 2006; Weete et al. 2010), ahol a hidratáció maximális és stabil. Ez összhangban van azzal a ténnyel, hogy a koleszterin hatékony mechanikai stabilizátor (Bakht és London 2006); bár antioxidánsként kevésbé hatékony, mint az ergoszterin (Wiseman 1993) (a koleszterin csak egy kettős kötéssel rendelkezik a B-gyűrűben), előállítása energetikailag kevésbé költséges (Parks és Casey 1995). Ezek az adatok a jelen vizsgálat eredményeivel együtt azt jelenthetik, hogy az ergoszterin szintézise fontos előnyt biztosít a magasabb rendű gombák túlélése és a szilárd-levegő határfelületi élőhelyek kolonizációja szempontjából.

Azt a következtetést vontuk le, hogy az élesztőben, a vízhomeosztázis fenntartására képtelen egysejtű eukariótában a szárazság és nedvesedés túlélését megkönnyíti az ergoszterol. Ez a gombák membránjaira jellemző esszenciális komponens növeli a vízpárolgás és a légköri levegőnek való közvetlen kitettség okozta mechanikai kényszerekkel és oxidációval szembeni ellenállást. Ezért az EBP evolúciója kulcsszerepet játszhatott abban, hogy a gombák meghódították a szilárd-levegő határfelületi élőhelyeket. E tanulmány eredményei választ adnak a “miért az ergoszterol a gombákban?” örök kérdésre. (Parks és Casey 1995). Az eredményekhez kapcsolódó mechanizmusokat a jövőbeni kísérletekben kell elmélyíteni. Ennek érdekében jelenleg az ergoszterol molekuláris tulajdonságait vizsgáljuk a plazmamembránban, hogy megvilágítsuk azokat a mechanizmusokat, amelyek révén az ergoszterol megőrzi a membránt a levegőn száradás és nedvesedés okozta kémiai és fizikai változásoktól. A várható alkalmazások között szerepel az eukarióta sejtek tartósítására szolgáló szárításon alapuló módszerek optimalizálása, valamint új stratégiák kidolgozása a számos patogén és élelmiszerromlásban szerepet játszó gombák elpusztítására.