ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2008, том 69, № 5, с. 379-396
УДК 581.1:632.938
ЛЕКТИНЫ И ПРОБЛЕМА РАСПОЗНАВАНИЯ ФНТОПАТОГЕНОВ
РАСТЕНИЕМ-ХОЗЯИНОМ
© 2008 г. А. В. Бабоша
Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН 127276 Москва, ул. Ботаническая, д. 4 e-mail: phimmunitet@yandex.ru Поступила в редакцию 09.04.2007 г.
В обзоре рассмотрены некоторые аспекты участия лектинов в патогенезе растений, включая их роль в узнавании микроорганизмов и элиситоров, а также в качестве защитного агента, ограничивающего рост и перемещение патогена. Наряду с лектиноподобными рецепторными киназами в этих процессах важную роль, вероятно, играют и классические лектины. Основными чертами последних является относительно высокое содержание в растительных тканях, специфичность к моносахаридам и небольшое число изолектиновых форм. Поэтому, предполагая участие классических лектинов в биологическом узнавании, необходимо решить вопрос о том, каким образом ограниченное число лектинов с ограниченным количеством узнаваемых углеводных групп может обеспечить распознавание потенциально огромного числа патогенов. Данная проблема может быть решена путем узнавания классическими лектинами углеводных остатков, свойственных большой группе микроорганизмов. Эти процессы сходны с врожденным иммунитетом животных, выполняющим функции быстрой первичной защиты даже у живых существ с развитой системой иммуноглобулинов. Механизмом, расширяющим углеводспецифичность углеводсвязывающего центра, является взаимодействие с гидрофобными заместителями в углеводном остатке, а также модульная организация лектинов, позволяющая регулировать силу связывания лектинов с олиго- и полисахаридами. Свободные лектины оказывают влияние на рост микроорганизмов как у растений, так и у животных и человека. При патогенезе это воздействие может быть ингибирующим, а в случае симбиотических отношений лектин несет сигнал, перенаправляющий метаболизм будущего симбионта. Таким образом, лектины, по-видимому, служат естественным декодирующим устройством для информации, содержащейся в полимерах углеводной природы, а считывание этой информации, в том числе при патогенезе, является основной функцией лектинов в клетке.
Способность лектинов к узнаванию участков сложных углеводов - одна из причин интереса к изучению роли этих белков в процессах патогенеза и устойчивости растений, аналогичного интересу к антителам животных. Распознавание микроорганизма в качестве патогена на самых ранних этапах взаимодействия является одним из основных условий включения защитных реакций и возникновения состояния устойчивости. Имеются данные о возможном участии лектинов в процессах узнавания в межклеточных взаимодействиях при делении клеток, прорастании пыльцы (Ковалева и др., 1999), слиянии гамет водорослей (Bol-well et al., 1979; Kooijman et al., 1989). Система адаптивного иммунитета, основанная на узнавании чужеродных антигенов антителами, присуща части животного мира, а именно челюстноротым позвоночным (Давтян и др., 2005). Существующие определения подчеркивают отличие лектинов от антител животных, поскольку природа лектинов совершенно иная (Goldstein et al., 1980).
Возможность специфического узнавания обусловлена наличием у лектинов одного или не-
скольких углеводсвязывающих доменов. Первоначально к лектинам относили белки, способные агглютинировать гликоконъюгаты и содержащие их клетки, в частности эритроциты (гемагглютини-ны) (Goldstein et al., 1980). Однако известно большое число белков, структура которых сходна с гемаг-глютининами, но не способных агглютинировать эритроциты. По общепринятому определению (Peumans, Damme, 1995), лектинами называют белки, имеющие в своем составе по крайней мере один некаталитический домен, обратимо связывающий моно или олигосахариды. Наличие только одного углеводсвязывающего центра (меролектины) исключает возможность реакций агглютинации или преципитации. Классические лектины (в том числе гемагглютинины), обладающие подобными свойствами вследствие наличия более одного связывающего центра, получили название хололектины. Наконец, в отдельную группу выделены химеролекти-ны, имеющие в своем составе помимо углеводсвязывающего домены с иной (например, каталитической) функцией.
ЗАЩИТНЫЕ ФУНКЦИИ ЛЕКТИНОВ
Поскольку лектины представляют собой в значительной степени искусственную группу белков, различающихся по структуре и углеводной специфичности, их функциональная нагрузка в клетке также может быть различной (Peumans, Damme, 1995). Среди известных или предполагаемых функций лектинов.
1. Структурная (упаковка запасных гликопро-теидов, гликопротеидов мембран, заякоривание ферментов с организацией ферментных комплексов).
2. Транспортная (транспорт моно и полисахаридов, белковых субъединиц). Имеется предположение о роли флоэмных лектинов в транспорте виро-идных патогенов, а также других РНК (Owens et al., 2001).
3. Регуляторная (блокирование олигосахарид-ных групп, регуляция активности ферментов-гли-копротеидов и ферментов-лектинов). Ряд экспериментальных данных позволяет предположить участие лектинов в регуляции функций цитоскелета (Wang et al., 1983; Kijne et al., 1997).
4. Информационная (в том числе узнавание и иммобилизация патогенов и элиситоров).
Все вышеперечисленные функции лектинов могут иметь отношение к механизмам защиты от патогенов. Защитной роли лектиновых белков посвящены обзорные работы (Callow, 1977; Mahade-van et al., 1982; Chrispeels, Raikhel, 1991; Peumans, Damme, 1995; Sengupta et al., 1997; Марков, Хавкин, 1983; Любимова, Салькова, 1988; Шакирова, 2001).
Ряд косвенных аргументов в пользу участия лектинов в защите от биотических стрессоров приведены в обзоре (Peumans, Damme, 1995). Это способность к взаимодействию с поверхностными полисахаридами микроорганизмов, устойчивость к неблагоприятным воздействиям среды, преимущественная локализация многих лектинов в местах возможного контакта с патогеном, секреция в экстраклеточное пространство.
На основе сходства и различия углеводсвязыва-ющих доменов и других признаков выделяют семь основных классов фитолектинов: 1) лектины бобовых (фитогемагглютинин фасоли - ФГА), 2) хи-тинсвязывающие лектины, содержащие гевеино-вый домен (агглютинин зародыша пшеницы -АЗП), 3) рибосом-инактивирующие белки 2-го типа (RIPs), 4) маннозо-специфические лектины однодольных, 5) жакалинподобные лектины, 6) лектины амаранта, 7) флоэмные лектины тыквенных (Damme et al., 1998). Еще одну группу, по-видимому, составляют лектиновые рецепторы (Etzler et al., 1999; Roberts et al., 1999; Navarro-Gochicoa et al., 2003). По крайней мере, три первые группы и ре-цепторные лектины имеют отношение к защите от патогенов или растительноядных животных.
ФУНГИСТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕКТИНОВ
Многие фитолектины способны ингибировать рост патогенных микроорганизмов, индуцировать лизис зооспор (Mirelman et al., 1975; Gibson et al., 1982). С токсичностью для грибов связывают в первую очередь хитинсвязывющие лектины из семейства АЗП. Фунгистатическая функция была обнаружена у лектина крапивы (Broekaert et al., 1989), семян амаранта (Martins et al., 1996; Broekaert et al., 1992), Astragalus mongholicus (Yan et al., 2005) и гевеина (Parijs et al., 1991). Хорошо очищенный препарат АЗП, не обладающий активностью хити-назы, предотвращал инфицирование срезов клубня картофеля грибными патогенами: Fusarium graminearum и F. oxysporum, вызывал морфологические изменения и лизис клеточной стенки ростковых трубок (Ciopraga et al., 1999). Хитинсвязыва-ющий лектин табака, индуцируемый вирусом табачной мозаики (ВТМ) и дополнительно очищенный от хитиназ, ингибировал рост Trichoderma viride и Fusarium solani, причем антифунгальная активность синергически увеличивалась в присутствии хитиназ и ß-1.3-глюканаз (Ponstein et al., 1994). Белок из Streptomyces tendae, связывающий хитин, но отличный от растительных лектинов с гевеино-вым доменом, также обладал антифунгальными свойствами (Camposolivas et al., 2001). Добавление лектина крапивы ингибировало рост гиф микоризного гриба Glomus mosseae (Broekaert et al., 1989).
Фунгистатическим действием обладал галакто-зоспецифический лектин, выделенный из корней Astragalus mongholicus (Yan et al., 2005), а также маннозо и хитин-специфический лектин орхидеи (Xu et al., 1998).
Механизм противогрибной активности лектинов обусловлен перекрестным связыванием молекул хитина и других полимеров клеточной стенки, что ограничивает расширение клетки гриба в районе гифального апекса (Broekaert et al., 1989; Vierheilig et al., 1996). Поскольку хитин более зрелых областей защищен от взаимодействия с лектинами отложением гликанов, нарушение отложения хитина происходило в растущем апексе гифы. АЗП связывался с поверхностью спор Helminthosporium sativum (Bipolaris sorokiniana) в местах их прорастания (Лахтин, Яковлева, 1987). Лектин не агглютинировал непроросшие споры, но вызывал лизис ростковых трубок. Экранирование рецепторов АЗП на поверхности спор - одно из защитных приспособлений патогена против иммобилизации его клеток лектинами растения (Лахтин, Яковлева, 1987).
Ингибирование прорастающих спор Botrytis cinerea, Trichoderma viride и Colletotrichum lindemuth-ianum лектином крапивы происходило в течение определенной фазы роста гриба (Does et al., 1999). Конканавалин А специфически ингибировал обра-
зование аппрессория Magnaporthe grisea при применении в течение 2-3 ч после прорастания, но не адгезию к искусственному твердому субстрату (Ka-makura et al., 1999). Фунгистатическое действие фитолектинов на растительные патогены имеет аналогию в ингибировании патогенных грибов лектинами человека и животных.
Лектины являются потенциальными ингибиторами вирусов растений и животных, имеющих в своем составе гликопротеиды (Balzarini et al., 1992). Взаимодействие с лектинами показано для вируса полосчатой мозаики ячменя (Pattridge et al., 1976) и пятнистого вилта томатов (Naidu et al., 2004). Фло-эмный лектин огурца обладал способностью взаимодействовать с РНК вироида карликовости хмеля, что может свидетельствовать о его роли в транспорте вироида, а также других РН
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.