ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 2, с. 137-146
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.164:579.841.3
ГЕНЫ БИОСИНТЕЗА И КАТАБОЛИЗМА ОПИНОВ Agrobacterium tumefaciens И Agrobacterium rhizogenes © 2015 г. И. А. Владимиров, Т. В. Матвеева, Л. А. Лутова
Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра генетики и биотехнологии, Санкт-Петербург 199034 e-mail: ivanpentod@gmail.com Поступила в редакцию 16.06.2014 г.
Агробактерии — род почвенных бактерий, обладающих способностью трансформировать растительные клетки Т-ДНК, расположенной на pTi/pRi-плазмиде последовательностью, содержащей набор генов, экспрессирующихся в клетках растений. Экспрессия этих генов приводит к пролиферации трансформированных клеток с последующим образованием опухолей или разрастаний корней и к синтезу опинов — продуктов конденсации аминокислот с кетокислотами или сахарами, используемых агробактериями в качестве источника углерода и азота. В данном обзоре систематизируется информация о наиболее распространенных в растительно-агробактериальных системах опинах, генах их биосинтеза и катаболизма, а также о роли опинов во взаимодействии патогенных агробактерий с растениями и с агробактериями других штаммов, в том числе и о генетических последствиях такого взаимодействия.
DOI: 10.7868/S0016675815020162
Агробактерии — род почвенных бактерий, принадлежащих к семейству ЯИкоЫасеае. Наиболее известной особенностью агробактерий является способность к переносу наследственной информации (Т-ДНК) в клетки растений и ее устойчивому встраиванию в растительный геном. Экспрессия генов Т-ДНК приводит к пролиферации трансформированных клеток и к образованию корневых галлов или бородатых корней, синтезирующих усваиваемые агробактериями опины. Патогенные агробактерии традиционно делятся на три вида: А£гоЬас1вгшт Шшв/аавт, А. rhizogenes и А. уШз, также известные как агробактерии биотипа 1, 2 и 3 соответственно. С систематикой имеются существенные сложности (три выделяемых вида не полностью соответствуют биотипам) [1]. В данном обзоре используется традиционное деление на А. Ште/аает, А. rhizo-genes и А. vitis. Все три вида, заражая растение и трансформируя его своей Т-ДНК, вызывают пролиферацию трансформированных клеток хозяина и образуют опухолевые образования различного характера. AgroЬacterium tumefaciens вызывает образование корончатых галлов — опухолей разной степени дифференцированности, как правило расположенных на корнях растения, на шейке корня или в нижней части стебля, сходные образования вызывает и А. vitis. А. rhizogenes индуцирует образование так называемого "бородатого корня" — массы быстрорастущих, сильноразветвлен-ных агеотропных корней [2—4].
Круг поражаемых агробактериальными заболеваниями растений очень широк. Различные штаммы различаются по широте их круга хозяев, но суммарно патогенные агробактерии могут вызывать заболевания не менее чем у 1000 видов двудольных растений из 61 разного семейства, возможна трансформация однодольных растений. Ключевым фактором агробактериально-растительного взаимодействия являются опины, генетическому контролю синтеза и деградации которых и посвящен данный обзор.
ГЕНЫ БИОСИНТЕЗА ОПИНОВ.
РОЛЬ ОПИНОВ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ АГРОБАКТЕРИЙ И РАСТЕНИЙ.
ОПИНОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Опины — это довольно специфические соединения, продукт конденсации аминокислот с кетокислотами или сахарами. Классические опины — это М-карбоксиалкиламинокислоты. К опинам также относят ряд других соединений, выполняющих сходные с классическими опинами функции [5]. М-карбоксиалкиламинокислоты образуются при восстановительной конденсации аминокислоты и кетокислоты, реакция происходит между аминогруппой аминокислоты и кетогруп-пой кетокислоты (рис. 1).
Первые данные о существовании опинов были получены в 50-х годах ХХ в. при изучении метаболизма аргинина в опухолях, вызванных А. tumefa-ciens. Ключевым в понимании роли опинов и сути
Я,
Кетокислота
ноос
Аминокислота
о н+
мн2:-
А I
сн
соон
НАД(Ф)Н
ноос
НАД(Ф)<
Я,
I
сн
\н2о
мн
Я2
I
сн
соон
М-карбоксиалкиламинокислота (опин)
Рис. 1. Биосинтез опинов.
опухолеобразования вообще явились следующие наблюдения [6]:
1) агробактерии могут усваивать опины;
2) агробактерии усваивают только те опины, синтез которых происходит в опухоли, индуцированной данным штаммом;
3) набор вырабатываемых опухолью опинов зависит от штамма агробактерии, а не от вида растения-хозяина.
Второе и третье наблюдение, вместе с неожиданной способностью опухолей продолжать рост после уничтожения агробактерий антибиотиками, послужило основой для предположения о горизонтальном переносе генов из агробактерий в растения [7], что и подтвердилось впоследствии [8]. Патогенные штаммы агробактерий содержат крупную (около 200 тпн) конъюгативную и ре-пликативную плазмиду (рТ или рШ) [8], несущую все основные гены, обеспечивающие патоген-ность. В их числе — особый сегмент, называемый Т-ДНК. Т-ДНК переносится в клетки растений и встраивается в растительную ДНК. Т-ДНК несет набор генов, функционально разделяемых на две группы — онкогены, обеспечивающие опухолевое перерождение клеток хозяина, и гены биосинтеза опинов. У некоторых штаммов (например, у ок-топиновых и агропиновых) Т-ДНК разделена на два независимых фрагмента — 1^-ДНК и ТЯ-ДНК (см. рис. 2).
В 1979 г. была сформулирована опиновая концепция, собирающая воедино все факты об агро-бактериальной трансформации. Она заключается в том, что синтез опинов, которыми питаются агробактерии, и является адаптивно значимым эффектом переноса ДНК, трансформации и образования опухоли или бородатых корней [9]. Окон-
чательному утверждению опиновой концепции мешало существование "нулевых" плазмид, которые, как считалось, индуцируя опухоль, не вызывают в ней синтеза опинов. Однако в начале 80-х годов в таких опухолях были обнаружены неизвестные ранее опины (агропин [10], сукцинамопин [11]), и опиновая концепция утвердилась окончательно.
рТ1- и рШ-плазмиды разделяются на группы (октопиновые, нопалиновые, агропиновые, ман-нопиновые и др.) по типу опинов, которые вырабатываются в трансформированных их Т-ДНК тканях. Тип опинов определяется находящимися в Т-ДНК генами синтеза опинов.
Агропиновые плазмиды несут гены та81 и таз2, а также ген ags (агропинсинтаза). Все три гена образуют единый метаболический путь, обеспечивающий синтез агропина из глутамина и глюкозы. Маннопиновые плазмиды, например рШ8196, несут только два гена синтеза опинов: mas1 и mas2. Соответственно, конечным продуктом в этом случае является маннопин.
Однако в целом ситуация с образованием многостадийных путей биосинтеза не характерна для биосинтеза опинов. Остальные опины синтезируются в одну стадию и для их синтеза нужен один фермент, закодированный одним геном Т-ДНК. Несмотря на это, генов синтеза опинов на рТ/рШ-плазмидах, как правило, несколько и они обеспечивают синтез нескольких разных опинов [5, 6, 12]. Основные типы плазмид А. Штв/аавт и А. rhizogenes, классифицированные на основании наборов опинсинтаз, и расположенные в их Т-ДНК гены биосинтеза опинов представлены в табл. 1 и 2, а положение генов биосинтеза опинов на генетических картах Т-ДНК — на рис. 2.
ГЕНЫ БИОСИНТЕЗА И КАТАБОЛИЗМА ОПИНОВ
139
pTi-
SAKURA
Г
LB
pTi15955
LB1
rolB-H
5 iaaM tmr 6a
nos
П n_ ra
ИГ
EXLT
iaaM tmr ons
iaaH
acs iaaH LB2
1
tml ocs RB1
1 I
tml masl
RB
mas2 ags
RB2
pTiBo542 (Tl-DNA)
pTiBo542 (Tr-DNA)
pRi8196 (фрагмент)
pRi15834 (Tr-DNA)
LJ ш UTJ
iaaM tmr sus
m
LB1
LB2
iaaH
masl
a
6a
n n n
RB1
Г
LB
mas2 ags
RB2
rolA rolC orf13 orf14 masl
rolB orfl3 mas2
auxl masl
1 RB
RB
aux2 rolBTR mas2 ags
pRiA4b
(фрагмент)
pRi1724
rolB
rolC orf13 orf14 masl
mas2
RB
rolA rolCorfl3 orfl4 □ □ ^^ ^
rolB
LB ¡olB o*j±3a mis rb
Опиновые гены Гены биосинтеза гормонов ^ Онкогены прочие
S
orfl3a mis
Пермеазы
Псевдогены О ОРС с неизвестной функцией
Рис. 2. Физические генетические карты Т-ДНК различных штаммов агробактерий. Названия рИ/рШ-плазмид приведены слева от карт. Длины генов и межгенных промежутков показаны не в масштабе. Пунктирной линией обозначены несеквенированные районы Т-ДНК штаммов, для которых на данный момент отсутствуют полные сиквенсы последовательностей Т-ДНК.
Хризопиновые штаммы, известные по плаз-миде рТ1СИгу5, индуцируют в опухолях синтез дезоксифруктозилглутамина (ДФГ) и хризопина. ДФГ является промежуточным продуктом синтеза маннопина, а хризопин является его лактоном. Показано, что за биосинтез этих опинов отвечает ТЯ-ДНК [13]. В ней содержится распространенный набор генов mas2—mas1—ags. Предполагается, что хризопин синтезируется из ДФГ, однако
ген, кодирующий фермент с такой активностью, неизвестен [13].
Минимальная функциональная Т-ДНК известна по штамму A. tumefaciens AB2/73, выделенному из Lippia canescens [14]. Этот штамм обладает очень ограниченным и довольно специфическим кругом хозяев (из модельных растений заражает только Nicotiana glauca, не заражает высокочувствительные к агробактериальной трансформа-
Таблица 1. Опиновые гены pTi-плазмид [5, 6, 12]
№п плазмиды Гены биосинтеза опинов Синтезируемые опухолью опины
Hопaлиновый nos (нопалинсинтаза), acs (агроцинопинсинтаза) Нопалин, нопалиновая кислота, агроцинопины А и В*
Октопиновый TL: ocs (октопинсинтаза), TR: mas1, mas2 (маннопинсинтазы), ags (агропинсинтаза) Маннопин, маннопиновая кислота; агропин, агро-пиновая кислота; октопин*, октопиновая кислота*, лизопин*, гистопин, лизопиновая кислота
Сукцинамопиновый TL: sus (сукцинамопинсинтаза), TR: mas1, mas2 (маннопинсинтазы), ags (агропинсинтаза) Маннопин, маннопиновая кислота; агропин, агро-пиновая кислота; сукцинамопин, сукцинамопин-лактам
Хризопиновый TL: mas1, mas2 (маннопинсинтазы), ags (агропинсинтаза) ДФГ (дезоксифруктозилглутамин), хризопин (лак-тон ДФГ)
* Известные конъюгативные опины.
Таблица 2. Опиновые гены pRi-плазмид (по материалам [5, 6, 12])
^п плазмиды Гены биосинтеза опинов Синтезируемые опухолью опины
Aгpопиновый TL: acs (агроцинопинсинтаза), TR: mas1, mas2 (маннопинсинтазы), ags (агропинсинтаза) Маннопин, маннопиновая кислота; агро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.