ОНТОГЕНЕЗ, 2007, том 38, № 6, с. 420-433
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 591.3:597.5
РОЛЬ МЕРИСТЕМОСПЕЦИФИЧНЫХ ГЕНОВ РАСТЕНИЙ
__w -t
В ФОРМИРОВАНИИ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ОПУХОЛЕЙ1
© 2007 г. Л. А. Лутова, И. Е. Додуева
Санкт-Петербургский государственный университет 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9 E-mail :wildtype@yandex.ru Поступила в редакцию 29.05.2007 г.
У высших растений гомеобокссодержащие гены подсемейств KNOX и WOX играют ключевую роль в поддержании пула стволовых клеток меристем, регулируют пролиферацию и предотвращают дифференцировку клеток. Показано, что меристемоспецифичные гены регулируются фитогормо-нами и влияют на метаболизм фитогормонов, в частности цитокининов. Опухоли растений широко используются как модель для изучения генетического контроля деления и дифференцировки клеток. Выделяют опухоли, индуцированные патогенами, и генетические опухоли, развитие которых зависит от генотипа растения. На опухолях разного происхождения показано изменение уровней экспрессии генов регуляторов клеточного цикла, меристемоспецифичных генов, а также генов, контролирующих метаболизм и передачу сигнала фитогормонов. Отмечено сходство механизмов образования опухолей у растений и животных, в частности связь экспрессии генов регуляторов клеточного цикла с опухолеобразованием. Транскрипционные факторы подсемейства KNOX у растений обнаруживают сходство по структуре и предположительно имеют общее происхождение с транскрипционными факторами MEIS у животных, высокая активность которых наблюдается в раковых клетках. В обзоре представлена характеристика транскрипционных факторов подсемейств KNOX и WOX, их функции в развитии меристем и взаимодействие с гормональной системой растений. Обсуждается роль гомеодоменсодержащих транскрипционных факторов в формировании опухолей растений и животных. На примере генетических опухолей, полученных при мутагенезе у Arabidopsis thaliana, и опухолей у инбредных линий редиса обсуждается роль меристемоспецифичных генов и фитогормонов при опухолеобразовании.
Ключевые слова: опухолеобразование, гомеодомены, меристемоспецифичные гены, KNOX, WOX, фитогормоны.
Системный контроль клеточных делений и дифференцировки необходим для развития всех многоклеточных организмов. Активная пролиферация является характеристикой стволовых клеток, в то время как в специализированных тканях число клеточных делений сокращается - таким образом, деление и дифференцировка клеток рассматриваются как два противоположных, тесно взаимосвязанных процесса (Jakoby, Schшttger, 2004). В эволюции эука-риот было выработано множество регуляторных систем, поддерживающих гомеостаз деления и дифференцировки клеток.
У растений можно выделить как минимум три основных уровня контроля деления и дифференцировки клеток (Бо^еуа et а1., 2007). Первый уровень включает в себя консервативные для эукари-
1 Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект < 05-04-48583), Федеральной целевой программой "Высшие научные школы" (проект НШ 7623.2006.4) и Американским фондом гражданских исследований и развития (проекты СКЭЕ БТ-012-0 и ВР2М12).
от механизмы, непосредственно участвующие в контроле клеточного цикла, следующий уровень контролирует работу меристем, а третий связан с фитогормональной регуляцией процессов морфогенеза.
Обзор посвящен рассмотрению роли меристемоспецифичных генов высших растений в контроле опухолевого роста. Опухолеобразование является одной из оптимальных моделей для изучения механизмов контроля деления и дифференцировки клеток. При переходе к опухолевому росту происходит дедифференцировка и реактивация деления клеток в специализированных тканях, что можно рассматривать как возврат к статусу стволовой клетки (Ja-koby, Schnittger, 2004). Таким образом, опухоли растений представляют собой очаги аномальной мери-стематической активности. По литературным данным, при образовании опухолей у растений имеет место повышение уровней экспрессии генов регуляторов меристем (Feng, Kung, 1994; Harrar et al., 2003; Lee et al., 2004; Osipova et al., 2006).
WEE1
1
CDC2//CYCB CDC25
Факторы роста
CDK2/CYCA
CDK4/CYCD CDK6/CYCD MEIS, PBX
CDK2/CYCEI-KIP/CIP--Hox
a
CDKB/CYCA
Рис. 1. Роль транскрипционных факторов семейства TALE в регуляции клеточного цикла у животных (а) и растений (б).
КОНТРОЛЬ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА У РАСТЕНИЙ
Все этапы клеточного цикла эукариот находятся под контролем семейства серин/треониновых протеинкиназ, известных как циклинзависимые протеинкиназы (CDK) (рис. 1). Киназная активность CDK запускается при присоединении каталитической субъединицы - молекулы циклина, которая определяет субстратную специфичность CDK. Циклины разных классов у растений контролируют разные этапы клеточного цикла: класса D (CycD) - переход G1—»- S, класса A (CycA) - фазу S и переход G2—-M, класса В (CycB) - нормальный ход и завершение митоза (Oakenfull et al., 2002; We-ingartner et al., 2004; Menges et al., 2005). Одним из ключевых событий в контроле клеточного цикла является фосфорилирование белка ретинобласто-мы (РБ) циклинзависимыми киназами, в результате чего происходит его диссоциация с транкрипцион-ными факторами E2F (Ebel et al., 2004). Эти факторы регулируют экспрессию генов, контролирующих репликацию ДНК и динамику хроматина (Vandepoele et al., 2005). Субстратами CDK также являются белки пререпликационного комплекса, ги-стоны, элементы цитоскелета и белки ядерной мембраны (Castellano et al., 2001).
Важную роль в контроле клеточного цикла играют транскрипционная регуляция генов, кодиру-
ющих CDK и циклины, и посттрансляционная модификация CDK/циклиновых комплексов (De Jager et al., 2005). В регуляции экспрессии генов CDK и циклинов принимают участие транскрипционные факторы E2F (Boudolf et al., 2004; De Jager et al., 2005); экспериментальные данные свидетельствуют об участии в контроле их экспрессии семейства транскрипционных факторов Myb (Araki et al., 2004) и МАР-киназного каскада (Krysan et al., 2002). Для ряда генов, участвующих в контроле клеточного цикла у растений, характерна фито-гормональная регуляция транскрипции (Riou-Kham-lichi et al., 1999; Hu et al., 2000; Roudier et al., 2003; Rashotte et al., 2003). Наиболее изученный механизм посттрансляционной регуляции активности CDK/циклиновых комплексов связан с фосфорили-рованием-дефосфорилированием, основную роль в котором играют киназа WEE1, фосфатаза CDC25 (Sorrel et al., 2002; Landrieu et al., 2004), а также группа белков САК (CDK Activating Kinases), относящихся к семейству CDK (Yamaguchi et al., 2003). Еще один путь модулирования активности CDK связан с их взаимодействием с белками ICK/KRP (Inhibitors of CDK/KIP-Related Proteins), которые являются гомологами ингибиторов CDK семейства KIP/CIP животных (Vandepoele et al., 2005).
У животных нарушения в работе ряда генов, вовлеченных в контроль клеточного цикла, вызыва-
ют гиперпролиферацию клеток, приводящую к опухолеобразованию (Tamura et al., 2004). У растений повышение уровня экспрессии генов CycD3 (Riou-Khamlichi et al., 1999; Dewitte et al., 2003), CycA3;2 (Yu et al., 2003), CDKA (Boucheron et al., 2002; Yamaguchi et al., 2003), CAK (Yamaguchi et al., 2003) также вызывает дедифференцировку и возобновление пролиферации дифференцированных клеток. К супрессорам опухолеобразования у растений относится высококонсервативный для эука-риот белок РБ. Известно, что мутации по гену, кодирующему белок РБ, являются причиной образования некоторых типов опухолей у животных (van Deursen, 2007) и нарушения организации меристем у растений (Ebel et al., 2004). Известно, что он-кобелки ряда вирусов, вызывающих опухоли у животных, действуют за счет связывания и инактивации с белком РБ (Caracciolo et al., 2006). РБ-свя-зывающий мотив имеется также у ряда белков ге-минивирусов, поражающих растения (Guttierez, 2000) и у белка ORF13 Agrobacterium rhizogenes -фитопатогенной бактерии, которая вызывает у растения эктопическую пролиферацию клеток с последующей дифференцировкой придаточных корней (Stieger et al., 2004).
РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ МЕРИСТЕМ
Особенностью растений является наличие меристем - образовательных тканей, содержащих пул стволовых клеток. У высших растений выделяют апикальные меристемы (AM) побега и корня, возникающие из первичных меристем зародыша, латеральные меристемы, источником которых являются прокамбий и камбий, и вставочные (интеркаляр-ные) меристемы междоузлий (Scofield, Murray, 2006). AM побега и корня, а также латеральные меристемы устроены по сходному плану: они состоят из нескольких слоев клеток, каждый из которых имеет свой план клеточных делений и дает начало определенным типам тканей. В AM побега и корня выделяют центральную и периферическую зоны. Центральная включает в себя популяцию медленно делящихся стволовых клеток, которая в AM побега носит название организующего центра (ОЦ), а в AM корня - покоящегося центра (ПЦ) (Jiang, Feldman, 2005; Aida, Tasaka, 2006). Периферическая зона состоит из быстро делящихся клеток, которые дают начало разным типам тканей. В AM побега в этой зоне происходит формирование зачатков латеральных органов (листьев или цветков) (Aida, Tasaka, 2006), а в корне инициация латеральных органов происходит вне AM, в вышележащей дифференцированной зоне (Jiang, Feldman, 2005). Молекулярные механизмы регуляции AM также имеют ряд сходных черт; различия механизмов контроля деления и дифференцировки клеток в побеге и корне связаны главным образом с набором транскрипционных
факторов, регулирующих их развитие (Scofield, Murray, 2006).
Основную роль в поддержании баланса деления и дифференцировки клеток в меристемах играют несколько семейств гомеобокссодержащих генов. Продуктами этих генов, контролирующих формирование плана тела у всех многоклеточных организмов, является большое семейство транскрипционных факторов, особенность которых состоит в наличии гомеодомена - высококонсервативного ДНК-связывающего домена (Burglin, 1997). Для разных семейств гомеодоменсодержащих транскрипционных факторов животных показано прямое или опосредованное
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.