Статья: Взаимозаменяемость различных абиотических и биотических стимулов в индукции экспрессии транскрипционных факторов

Взаимозаменяемость различных абиотических и биотических стимулов в индукции экспрессии транскрипционных факторов

1.Сигнальные факторы в экспрессии генов

экспрессия ген растение

Растительные организмы существенно отличаются от животных, прежде всего, отсутствием способности передвигаться по суше. Они должны приспосабливаться к многочисленным внешним воздействиям физической и химической природы (стимулам или сигналам) и соответствующим образом координировать свой рост и развитие. Как и у животных, у растений имеется класс низкомолекулярных непротеиновых регуляторов роста, названных фитогормонами, регулирующих их рост и развитие. Регулирующими рост веществами также являются некоторые циклические пептиды [1].

Полагают, что воспринятые клеткой сигналы взаимодействуют первично с протеиновой структурой, названной рецептором, находящимся в плазмалемме [2]. Рецептор, воспринявший сигнал, затем передает его мембранным структурам или в ядро, т.е. происходит трансдукция сигнала.

Термин «сигнальная трансдукция» впервые озвучен Мартином Родбеллом (Martin Rodbell, 1925-1998) [цит. по 3]. В его понимании сигнальная трансдукция включает продолжительную активную поддержку на пути передачи сигнала, который состоит из дискриминаторов (рецепторов), передатчиков и амплификаторов. Если входной сигнал химической природы, он соединяется со «своим» рецептором. После этого, сигнал передается из плазмалеммы в цитоплазму, где умножается (амплифицируется) эффекторами, вызывая в конечном итоге ответные реакции, в том числе и транскрипцию генов. Регуляция транскрипции играет базисную роль в экспрессии генов у растений. В регуляции процессов транскрипции генов транскрипционным факторам (ТФ) принадлежит базовая роль. ТФ - протеины, регулирующие в ядре клетки транскрипцию, специфически взаимодействуя с ДНК (т.е. промотором) [4]. У эукариот ТФ состоят из двух функциональных доменов: ДНК-связывающего и активирующего транскрипцию. ДНК-связывающий домен отвечает за связывание ТФ с ДНК-мишенью гена, тогда как активирующий домен ТФ участвует в протеин-протеиновых взаимодействиях с другими белковыми факторами [5]. Большинство ТФ состоят из различной сложности доменов, главными среди которых есть ДНК-связывающий домен и активационный домен. Для гомеобокссодержащих генов ТФ характерно наличие специфической последовательности ДНК - гомеобокса, кодирующего гомеодомен (консервативный фрагмент ТФ длиной 60-800 аминокислот) [6 - 8].

Благодаря достижениям молекулярной биологии идентифицировано большое количество ТФ, количество которых непрерывно увеличивается. И хотя в первоначальном толковании один рецептор плюс один регулятор роста инициируют одну реакцию [цит. по 3], то в последние десятилетия выяснилось, что как множество рецепторов (семейства и подсемейства рецепторов), так и различные вещества могут вызывать одну и ту же реакцию в клетке, известную как «перекрестный разговор» (англ. “cross-talk”).

2.Рецепторы как посредники между внешними и внутренними сигналами и геномом клетки

Восприятие клетками физических или химических сигналов происходит вследствие взаимодействия специфических факторов (первичных посредников) с рецепторами, расположенными на поверхностной мембране клеток [2]. Полагают, что различные клетки живых организмов имеют характерный набор рецепторов, который зависит от функций, выполняемых этими клетками. Рецепторы - это специальные вещества на поверхности или внутри клеток органа-мишени, которые связывают гормон, доставляемый кровью к его месту действия, и, как следствие такого связывания, индуцируют реакции (или серию реакций), обеспечивающие конечный эффект гормона. По аналогии с рецепторами животных клеток рассматриваются и исследуются рецепторы растительных клеток.

Известны два типа ответа клеток на воздействие стимула (например биологически активного вещества, БАВ): негеномный (изменение физиологических процессов) и геномный (сопровождающийся процессами транскрипции). Механизмы негеномного типа ответа известны очень фрагментарно. Геномный тип ответа - сложный биохимический процесс - реализующий процессы транскрипции c участием ТФ-ов.

Для растений характерно наличие ТФ-ов с доменом "лейциновая застежка-молния" (англ. - Homeodomain leucine zipper - HD-Zip). Гомеодомен HD - ответственный за связывание с ДНК, тогда как домен "лейциновая застежка-молния" (Zip), расположенный непосредственно за С-концом гомеодомена, вовлечен в протеин-протеин взаимодействие (гомо- и гетеродимеризацию) [9]. Основные ДНК-связывающие гомеодомены, обнаруженные у протеинов, содержащих "лейциновую застежку-молнию", выделены в четыре различных группы (HD-Zip I-IV), базирующиеся на структуре генов [8].

В растениях больше 7% генома кодирует гипотетические ТФ [10]. Некоторые ТФ, открытые в растениях, наведены в таблице.

Таблица. Индукция синтеза гомеодоменов и гомеобоксов абиотическими факторами

Примечание. ГК₃ - гибберелловая кислота, АБК - абсцизовая кислота, ЕТ - этилен, БС - брассиностероиды, ЖК - жасмоновая кислота, СК - салициловая кислота, ТС - температурный стресс, ОБ - обезвоживание, СС - солевой стресс, ОС - осмотический стресс, МС - механический стресс.

Ген AtHB4 (компонент ТФ) регулирует брассиностероид-регилируемое развитие Arabidopsis thaliana. Он активно действует на других членов HD-Zip класса-II подсемейства, экспрессия которых направлена на гормон-опосредованное развитие растения и наиболее эффективного расположения кроны к солнечной радиации. Экспрессия гена резко активировалась под влиянием ауксина, гибберелловой кислоты (ГК) и брассиностероидов (БС) [11].

Из арабидопсиса охарактеризован один из HD-Zip генов AtHB6, экспрессия которого стимулировалась обезвоживанием (ОБ), осмотическим стрессом (ОС) и экзогенной обработкой абсцизовой кислотой (АБК) [12]. Среди других генов арабидопсиса описана быстрая индукция гомеобокса 12 (AtHB12) под воздействием АБК и ОБ [13]. Аналогичные закономерности установлены и при изучении транскриптов AtHB7 и AtHB12 [14], AtHB21, AtHB40 и AtHB53 [15]. Индукция процессов транскрипции AtHB53 под влиянием NaCl (СС), АБК и ауксина установлена и в другой работе [16].

Ген BnHB6 гомеодомена лейциновой молнии HD-Zip был изолирован из семян рапса (Brassica napus L.). Транскипция гена BnHB6 активировалась под воздействием маннитола, холодового и раневого стрессов, перекиси водорода (H₂O₂), АБК и СК [17].

Из растения Craterostigma plantagineum изолирован ген CpHB2 (гомеодомен "лейциновая молния"), экспрессия которого вызывалась обезвоживанием или обработкой экзогенной АБК [18 ]. Аналогичная закономерность установлена и для гена CpHB7, экспрессия которого резко возрастала под воздействием АБК, ОБ и СС [19].

кДНК из клона (Gossypium hirsutum гомеобокс 1, обозначен как GhHB1), кодирующая HD-Zip белок была изолирована из корней хлопчатника. кДНК длиной 1132 нп из GhHB1 кодирует 275 аминокислот. Ген GhHB1 активировался под воздействием 1% NaCl и АБК [20].

Гомеобок HaHB4 принадлежит к подсемейству I of HD-Zip белков подсолнуха (Helianthus annuus) и вовлечен в ответы засухоустойчивости и этилен-опосредованого старения растений. Ген активировался раневым стрессом (МС), метил жасмонатом (ЖК), этиленом (ЕТ) и обезвоживанием (21-24), а также экзогенной обработкой АБК [22]. Экспрессия HaHB10, который причастен к адаптации ростовых процессов растений к свету, резко усиливается под влиянием ГК [25], салициловой кислоты (СК) и инфицированием растений вирулентным бактериальным патогеном Pseudomonas syringae [21].

В модельных опытах на бобах Medicago truncatula показана активация фактора транскрипции MtHB1 (принадлежит к HD-Zip I) под влиянием солевого стресса (NaCl), АБК и маннитола [26].

Из растений Nicotiana attenuata выделено ген NaHD20 (HD-Zip I кодирующий ген), активность которого резко увеличивалась под воздействием раневого стресса, экзогенной обработкой ЖК, СК, АБК и ЕТ [27].

Гены тополя C₂H₂ Q-типа, которые играют важную роль в устойчивости к различным факторам окружающей среды, активировались под влиянием ЕТ, НТ, МС и осмотического стрессов [28].

В другой работе показано, что сверхпродукция гена OsBIPP2C1 (синтеза протеин-серин фосфатазы (PPs) типа PP2C) в трансгенных растениях табака происходила под влиянием бензотиадизола, СК, H₂O₂, АБК, ОБ, МС, СС и НТ стрессов, [29]. Сверхэкспрессия изолированного гена из растения сои GmERF3, который содержит транскрипционный фактор AP2/ERF, происходила под влиянием СК, ЖК, ЕТ, АБК, обезвоживания, солевого стресса и вируса мозаики сои [30]. Установлено также активацию ТФ под воздействием различных абиотических факторов. Так, активация TaNAC2 ТФ из растения Arabidopsis thaliana наблюдалась под воздействием ОБ, СС и низкотемпературного стрессов (ТС), а также обработкой экзогенной АБК, что сопровождалось повышением устойчивости растений [31]. Известно, что синтаза 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты (АЦК-синтаза) и оксидаза 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты играют важную роль в образовании этилена [Abeles, 1992]. Экспериментальные данные свидетельствуют, что экспрессию генов АЦК-синтазы индуцируют такие факторы как ауксины, цитокинины, АБК, БС, ЕТ, физические повреждения и др. [32-33]. Возникает вопрос: неужели все эти факторы для инициации процессов транскрипции используют один и тот же рецептор? Если да, тогда как это согласуется с индивидуальностью (уникальностью) рецепторов? Тем более, что установленные для природных регуляторов роста растений рецепторы представлены уникальными протеиновыми структурами.

3.Рецепторы природных регуляторов роста растений

Информация о структуре рецепторов у животных организмов представлена более широко, чем у растений. Наиболее важными классами сигналтрансформирующих протеинов плазмалеммы у животных являются: гетеротримерные G-протеины (бвг-субъединицы), Ras-протеины [34], GPCRs-протеины (состоящие из 7 трансмембранных спиралей) [35] и G-протеины - регуляторы ионных каналов [36], а также MAPK-каскад [37].

У растений идентифицированы, наиболее часто экспериментально определяемые, рецепторы следующих фитогормонов: индолилуксусная кислота (ИУК, тип рецептора - F-бокс протеина - TIR1, AFBs) [38], абсцизовая кислота (тип рецептора - G-протеины: GTG1, GTG2, GCR2, CHLH) [39], цитокинины (тип рецептора - двухкомпонентная система: CRE1, AHK2, AHK3) [40], гиббереллины (тип рецептора - гормон-чувствительные липазы: GID1) [41], этилен (тип рецептора - двухкомпонентная система: ETR1, ETR2, ERS1, ERS2, EIN4) [40], брассиностероиды (тип рецептора - аналогичные киназам лейцин-богатые рецепторы: BRI1) [40] и жасмоновая кислота (тип рецептора - F-бокс протеина: COI1) [42-43]. Для салициловой кислоты, окиси азота и стриголактонов убедительной информации об их рецепторах до настоящего времени нет.

Как видим, для перечисленных веществ нет общих рецепторов. Тем не менее, под их воздействием может происходить активация транскрипции одних и тех же «функционирующих» генов или транскрипция «отключенных» генов.

4.Все ли БАВ используют рецепторы в экспрессии генов?

Как отмечено выше, полагают, что способность клеток воспринимать внешние сигналы определяется специальным классом протеиновых молекул - рецепторами. В связи с увеличением количества рецепторов, число которых может превысить количество протеинов в плазмалемме, полагают, что различные клетки живых организмов имеют характерный набор рецепторов в зависимости от выполняемых этими клетками функций. Образуя связь с рецептором, внеклеточные химические посредники воздействуют на протекание в клетке-мишени физиологических процессов. Однако, как аналогичные процессы происходят с эндогенными регуляторами роста - полной ясности нет. Должны ли последние передвигаться с места образования к плазмалемме и затем обратно следовать с рецептором, например, в ядро, или же они находят необходимые рецепторы в других цитоплазматических мембранах - неизвестно. Необходимо отметить важную особенность в феномене рецепции в биологических системах. Во-первых, есть вещества, которые вызывают биологический эффект и при этом связываются с различными протеинами и, во-вторых, есть вещества, которые также связываются с различными протеинами, но никакого биологического эффекта не наблюдается. В этой связи следует отметить, что в предложенных в литературе механизмах действия БАВ с участием рецепторов отсутствует информация о связи биологического эффекта из пространственным (стерическим) строением исследуемого вещества. Фрагментарно представлена в литературе информация о связи между строением БАВ и структурой предполагаемого рецептора. Даже при наличии в клетке всевозможных рецепторов, регуляторами физиологических и генетических процессов являются вещества только со строго определенным стерическим строением [44]. Если для каждого поступающего в клетку БАВ необходим уникальный рецептор, то следовательно необходимо наличие соответствующего количества протеинов. Если мобильных протеинов меньше количества уникальных БАВ, следовательно один протеин должен как рецептор «обслуживать» десятки БАВ. Но тогда как объяснить избирательное действие уникальных (оригинальных) БАВ? Кроме того, протеиновые БАВ в живых системах, за небольшим исключением, представлены циклическими пептидами (некоторые из них состоят из больше 100 аминокислот). Возникает вопрос: Какова природа химических связей между двумя протеинами: биологически активным протеином и протеином рецептором? Как протеиновый комплекс, состоящий из протеина рецептора и биологически активного пептида, находит соответствующий ген в хромосоме также покрытой протеиновой оболочкой?