ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 50, № 4, с. 374-382
УДК 577.122
КОМПАРТМЕНТАЦИЯ САЛИЦИЛАТ-ИНДУЦИРУЕМЫХ
БЕЛКОВ (ОБЗОР)
© 2014 г. И. А. Тарчевский
Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, Казань 420111
e-mail: tarchevsky@mail.knc.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.
Ключевой фактор иммунитета — салициловая кислота (экзогенная или быстро накапливающаяся при действии на растения биотрофных и полубиотрофных патогенов) вызывает образование не только защитных белков прямого антипатогенного действия, но и многих белков, повышающих устойчивость клеток растения-хозяина. Кодируемые ядерными генами и затем образующиеся с помощью цитоплазматических рибосом салицилат-индуцируемые белки осуществляют свои функции или в цитозоле, или доставляются в ядра, вакуоли, пластиды, митохондрии, а также за пределы плазмалеммы. В статье приводится информация о салицилат-индуцируемых белках, не только транспортируемых в различные компартменты, но и участвующих в их трансмембранном переносе.
DOI: 10.7868/S0555109914040278
Совершенствование методов транскриптоми-ки и протеомики, использование мутантов и трансгенных растений позволило получить в последние годы принципиальной важности новые данные о молекулярных механизмах взаимодействия растений и патогенных микроорганизмов.
Было показано, что ключевую роль в формировании иммунитета к биотрофным и полубио-трофным патогенам играет салициловая кислота (СК). После контакта с патогенами ее содержание в тканях растений может многократно повышаться ("салицилатный взрыв") [1—4 и др.] и это приводит к "включению" СК-сигнализации — к трансдукции и амплификации СК-сигналов и ре-программированию экспрессии генов [5—7], что приводит как к синтезу защитных белков, так и к торможению образования белков, не столь необходимых при появившейся угрозе существования растений. Важную роль в их защите играют обнаруженные многими авторами СК-индуцируемые белки прямого антипатогенного действия — кислые и щелочные хитиназы, бета-1,3-эндоглюка-назы, протеиназы, ингибиторы протеиназ, а также белки, повышающие устойчивость клеток растения-хозяина.
Синтезируемые рибосомами цитоплазмы СК-индуцируемые белки "обслуживают" изменяющиеся при патогенезе процессы метаболизма не только в цитоплазме, но и в органоидах, а также за пределами плазмалеммы, преодолевая для этого различные мембранные образования клеток: ядерную мембрану, плазмалемму, тоно-пласт, мембраны хлоропластов и митохондрий [8] (рис. 1).
Накапливаются факты, свидетельствующие о большой значимости при патогенезе СК-индукции белков, обслуживающих процессы транскрипции и трансляции, а также доставки белков к местам назначения.
В исследовании компартментации "новорожденных" белков все чаще используются трансгенные растения с привитыми к этим белкам флуоресцирующими белками, главным образом, green fluorescent proteins из медузы Aequorea victoria.
Появляется все больше публикаций о важной роли компартментации СК-индуцируемых белков и роли СК в трансмембранном транспорте этих белков в клетках. В настоящем обзоре делается, по-видимому, первая попытка обобщения имеющейся информации по данной проблеме.
Роль СК в ядерно-цитоплазматическом транспорте белков. Известно, что у клеток растений в ядре, в отличие от хлоропластов и митохондрий, не могут синтезироваться белки. Они образуются в цитоплазме с помощью рибосом, а специфичность их структуры зависит от поставляемых из ядра мРНК.
Ядерным протеомам растений в последние годы был посвящен ряд работ [9, 10]. Идентифицированы несколько сот ядерных белков, которые составляют 10—20% от общего числа клеточных белков.
Были выявлены многие функционирующие в ядре белки, синтез которых усиливается под влиянием вызванного биотрофными патогенами "СК-взрыва" или при обработке растений экзогенной СК. К наиболее существенным мож-
Патогены
среда
Схема основных путей транспорта салицилат-индуцируемых белков: Кс — клеточная стенка, СК — салициловая кислота, Вак — вакуоль, АФС — автофагосома, Рбс — рибосома, СУЧ — сигнал-узнающая частица, ЭПР — эндоплазмати-ческий ретикулум, АГ — аппарат Гольджи.
но отнести ниже перечисленные следующие СК-ин-дуцируемые "ядерные" белки.
Ядерный антиген пролиферирующих клеток (PCNA, proliferating cell nuclear antigen) [11], с помощью которого обеспечивается сборка и функционирование гетероолигомерного ДНК-репли-цирующего комплекса, состоящего из почти 30 субъединиц. От него зависит не только репликация ДНК, но и обеспечение всех видов репарации ДНК с нарушенной структурой.
Ко-активаторы транскрипционных факторов, NPR (non-expressor of pathogenesis-related рroteins) [12, 13]. Семейство NPR насчитывает 6 членов, главная роль в СК-сигнализации принадлежит изо-форме NPR1. На примере арабидопсиса было показано, что СК индуцирует экспрессию 86% генов NPR1-зависимым и лишь 14% NPR1-независи-мым образом [14]. Этот белок существует в цитоплазме в виде олигомера, когда клетки не подвергаются атаке патогенов, но при инфицировании происходит восстановление — S—S— дисульфид-
ных связей в олигомерах и образовавшиеся мономерные молекулы МРЯ1 транспортируются в ядро, где активируют транскрипционные факторы ТGA и ^КУ.
Семейство транскрипционных факторов TGA, которые активируют промоторы с TGACG последовательностью нуклеотидов. Обнаружено, что несколько представителей этого небольшого семейства относятся к СК-зависимым [15—18], их вклад в экспрессию различных МРЯ1-зависимых генов и в системный иммунитет различен [17, 19].
Семейство транскрипционных факторов WRKY включает от 60 до 100 генов, в том числе СК-индуцируемых [20, 21]. Например, у арабидопсиса экспрессия 49 из 73 генов ШККУ была СК-зависимой [22]. Различные виды WRKУ могут оказывать или активирующее, или ингибирующее действие на промоторные участки генов. СК-инду-цируемые транскрипционные факторы WRKY участвовали в экспрессии генов защитных бел-
ков и ферментов, катализирующих реакции синтеза самой СК (автокатализ) [20, 21].
Белки, выполняющие в ядре функции активаторов и ингибиторов как NPR1, так и транскрипционных факторов, а также взаимодействия транскрипционных факторов и промоторов СК-зави-симых генов. К ним относятся СК-индуцируемые важные для СК-сигнализации белки глутаредок-син и тиоредоксин [23], адапторный белок 14-3-3, убиквитин-подобные белки, шапероны и др. [24].
РНК-связывающие белки, образующие комплексы с "новорожденными" молекулами РНК [25—27]. От этих белков зависят процессинг и "созревание" мРНК. О роли этой функции можно судить по тому факту, что один из продуцируемых патогенами эффекторов типа III, вызывающий рибозилирование РНК-связывающих белков и, вследствие этого, нарушение их функций, повышал восприимчивость растений к патогенам [28]. Мутации генов РНК-связывающих белков приводили к снижению содержания СК, СК-инду-цируемых белков и повышению чувствительности к патогенам, а усиление экспрессии в трансгенных растениях — к обратному эффекту [29].
Участники регуляции содержания ядерных белков с помощью их убиквитин-протеасомной деградации в ядерных протеасомах [5, 30]. Было обнаружено, что СК индуцирует синтез убиквитина [11] и субъединиц протеасом [31, 32].
Белковые факторы, участвующие в функционировании сложного белкового комплекса, состоящего из РНК-полимеразы II, медиатора, участвующего в СК-индуцируемом метилировании ДНК [33, 34], и элонгатора, участвующего в ацетилиро-вании гистона 3 с помощью СК-индуцируемой ги-стонацетилтрансферазы [35, 36].
В настоящий перечень вошли только достаточно большие группы белков, и он может быть расширен за счет различных индивидуальных белков.
Так как без регулируемой поставки белков в ядро, а также РНК в цитоплазму клетки существовать не могут, то исследование механизма их транспорта через ядерные мембраны и его зависимости от влияния биотических и абиотических факторов представляет собой проблему первоочередной важности.
Импорт ядерного предназначения белков, синтезируемых цитоплазматическими рибосомами, осуществляется через ядерные поры, представляющие собой один из самых сложных гетероолиго-мерных белковых комплексов, о важности которых для СК-сигнализации сообщалось в недавно опубликованной статье [24]. Особенностям структуры ядерных пор, их белковому составу и механизмам переноса через них белков и белковых комплексов посвящен ряд обзорных и экспериментальных статей [9, 20, 37—44 и др.].
Перенос белков из цитоплазмы в ядро через ядерные поры происходит при участии ядерных
транспортных рецепторов — бета-импортинов (бе-та-кариоферинов). Бета-импортины связываются в цитоплазме с "ядерными" сигнальными последовательностями аминокислотных остатков в белках, после чего следует перенос образовавшихся комплексов через ядерные поры. В этом процессе принимают участие СК-индуцируемые G-белки семейства RAN [45]. Одни белки связываются с бе-та-импортинами непосредственно, другие — с помощью адапторных белков, например альфа-им-портина [39]. В этом случае импортируется в ядро тройной комплекс: мишень-адаптор-бета-импор-тин. Обнаружено, что импорт в ядро некоторых транскрипционных факторов стимулируется с помощью одного из видов СК-индуцируемых убик-витинподобных белков — SUMO (small ubiquitin like modifier) [46].
Экспорт из ядра белков и белковых комплексов (в том числе содержащих "зрелые" РНК и собираемые в ядрышках субъединицы будущих цитоплаз-матических рибосом) осуществляется с помощью экспортинов (белков, родственных импортинам) и СК-индуцируемого белка RAN [45].
Можно предположить, что в ближайшие годы интенсивно изучаемые механизмы регуляции ядерно-цитоплазматического транспорта (в том числе при участии СК) будут существенно дополнены новыми важными деталями.
Роль СК в выведении белков за пределы плазма-леммы. Протеомный анализ секретируемых за пределы плазмалеммы белков (секретома) привлекает все большее внимание исследователей [46—48]. К этим белкам относятся структурные белки клеточных стенок, в том числе экстенсины, обогащенные глицином или пролином белки, лек-тины, арабиногалактановые белки и др., а также неструктурные б
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.