ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 5, с. 539-557
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.16
ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ В ГЕНЕТИКЕ РАЗВИТИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
© 2015 г. Л. А. Лутова, И. Е. Додуева, М. А. Лебедева, В. Е. Творогова
Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра генетики и биотехнологии,
Санкт-Петербург 199034 e-mail: la.lutova@gmail.com Поступила в редакцию 21.07.2014 г.
Транскрипционные факторы играют основную роль в контроле разнообразных программ развития растений, координируя функционирование любой генетической сети. К числу важнейших групп транскрипционных факторов растений относят гомеодомен-содержащие, в частности транскрипционные факторы семейств KNOX и WOX, функции которых связаны с регуляцией активности меристем, развития органов надземной и подземной частей растений, а также с контролем эмбриогенеза. В обзоре рассматривается роль транскрипционных факторов KNOX и WOX в различных программах развития, а также в эволюционном усложнении плана тела у наземных растений.
DOI: 10.7868/S001667581503008X
Основную роль в контроле развития меристем играют несколько групп транскрипционных факторов (ТФ), в том числе — гомеодомен-содержа-щие ТФ KNOX (KNOTTEDl-Related Homeobox) и WOX (WUSCHEL-Related Homeobox), которые контролируют закладку меристем de novo, поддержание организующих центров и пулов стволовых клеток, баланс клеточной пролиферации и дифференцировки в меристемах, а также метаболизм и передачу сигнала фитогормонов. У растений выявлено несколько семейств гомеодомен-содержащих ТФ: KNOX, WOX, BEL, HD-ZIPI-IV, PLINC [1]; два из них (KNOX и BEL) относятся к суперсемейству TALE (Three Amino а^ Loop Extension). В отличие от типичного гомеодомена, содержащего 60 аминокислот, гомеодомены белков TALE содержат три дополнительные аминокислоты между первой и второй спиралями [2]; остальные принадлежат к надсемейству HD-ZIP (HOMEODOMAIN—LEICIN ZIPPER) [3]. Для ряда гомеодомен-содержащих ТФ животных показано взаимодействие с белками, контролирующими клеточный цикл: например, у мышей ТФ Sixl, который играет роль в развитии нервной системы, дыхательных путей и скелетных мышц, является прямым регулятором экспрессии гена CYCA1 [4]; аналогичная функция предполагается для гомеодомен-содержащих ТФ растений. В многочисленных исследованиях было продемонстрировано изменение экспрессии генов-регуляторов клеточного цикла в разных зонах побеговой апикальной меристемы (ПАМ) и корневой апикальной меристемы (КАМ). Таким образом, го-меодомен-содержащие ТФ, контролирующие функции меристем, могут прямо или опосредо-
ванно участвовать в контроле экспрессии генов клеточного цикла, координируя деление клеток с гормональными сигналами развития.
ТФ KNOX
ТФ KNOX относятся к суперсемейству гоме-одомен-содержащих белков группы TALE (от англ. Three Amino acid Loop Extension). Характерной чертой представителей этой группы является наличие трех дополнительных аминокислот между первой и второй альфа-спиралями гомеодомена. Представители ТФ группы TALE встречаются как у животных, так и у растений [2, 5].
Одним из первых идентифицированных гомео-бокс-содержащих генов у растений был ген KNOTTED1 (KN1) кукурузы. У мутантов по гену KN1 наблюдается образование "узелков" на листьях (knotted leaves), что и обусловило название соответствующего гена. Обнаружение и дальнейшее изучение гомеодомен-содержащих ТФ у растений обусловило значительный прогресс в области генетики растений и позволило приблизиться к пониманию молекулярных механизмов, лежащих в основе их развития [6]. Гомологи гена KN1 кукурузы впоследствии были описаны и у многих других видов растений, и все они кодируют гоме-одомен-содержашие ТФ семейства KNOX (KNOTTED1-like homeobox).
Помимо консервативного ДНК-связывающе-го гомеодомена (HD) ТФ KNOX содержат расположенный на N-конце домен KNOX, необходимый для белок-белковых взаимодействий (рис. 1). Домен KNOX состоит из двух блоков (KNOX A и KNOX B), разделенных вариабельным доменом.
N
^Г KNOX
GSE
ELK
HD
C
N
WUS
C
EAR
Рис. 1. Схема доменной организации белка KNOX (вверху) и белка WUS (внизу). HD — гомеодомен; KNOX — домен KNOX; GSE (Gly (G), Ser (S), Glu (E)) - богатый домен; ELK (Glu (E), Leu (L), Lys (K)) - богатый домен; WUS - WUS-бокс; EAR — домен EAR (ERF-associated amphiphilic repression).
TФ KNOX разделяют на два подкласса: KNOX I и KNOX II [7]. У белков подкласса KNOX II субдомен KNOX B характеризуется дополнительной вставкой 30 аминокислот [1]. Домен KNOX имеет сходство с доменами MEIS и PBC транскрипционных факторов TALE у животных, на основании чего предполагается, что эти три типа доменов произошли из предкового домена MEINOX, имеющегося у общих предков растений и животных [2]. Tаким образом, TФ KNOX являются эволю-ционно древними.
Tакже в структуре транскрипционных факторов KNOX выделяют GSE (обогащенный аминокислотами Gly (G), Ser (S), Glu (E)) и ELK (обогащенный аминокислотами Glu (E), Leu (L), Lys (K)) домены (рис. 1). Предполагаемой функцией GSE домена является регуляция стабильности белка, поскольку в этом домене локализуется PEST — последовательность, служащая сигналом для убиквитин-зависимой деградации белков. Функция ELK домена не ясна, предполагается, что он необходим для белок-белковых взаимодействий или служит сигналом ядерной локализации [1, 7].
Белки KNOX образуют гетеродимеры с другой группой белков TALE, относящихся к семейству BEL. Это взаимодействие осуществляется через домен MEINOX у TФ KNOX и вызывает увеличение их сродства к мишеням, а также оказывает влияние на их внутриклеточную локализацию [8]. Гетеродимер KNOX/BEL может связываться с ДНК посредством гомеодомена. Tакие регулятор-ные взаимодействия напоминают взаимодействия между различными белками семейства TALE у животных и свидетельствуют об их общем эволюционном происхождении. Например, у дрозофилы ядерная транслокация TФ MEIS зависит от их взаимодействия с белками класса PBC, также относящимися к семейству TALE белков [9].
В геноме арабидопсиса выявлено семь генов семейства KNOX, получивших название KNAT (Knotted-like of Arabidopsis thaliana). Эти гены арабидопсиса подразделяются на два класса — I и II. При этом гены I класса (STM, KNAT1/BP (BREVI-
PEDICELLUS), KNAT2 и KNAT6) экспрессируют-ся преимущественно в меристемах, а гены II класса (KNAT3, KNAT4, KNAT5) имеют более широкую область экспрессии [10, 11]. В частности, известно, что гены KNAT3, KNAT4, KNAT5 экс-прессируются в корнях арабидопсиса [11].
Экспрессия KNOX генов I класса необходима для правильного развития и функционирования ПАМ, в частности — для поддержания ее клеток в недифференцированном состоянии. ТФ STM (SHOOTMERISTEMLESS), ключевой регулятор развития ПАМ и ортолог гена KN1 кукурузы, препятствует дифференцировке клеток меристемы. Активность гена STM необходима для закладки апикальной меристемы побега в эмбриогенезе. У мутантов по гену stm происходит нарушение формирования ПАМ вплоть до полной ее редукции [12]. У мутанта арабидопсиса bp (brevipedicellus) по гену KNAT1/BP наблюдается нарушение развития соцветия, редукция цветоножек, укорочение междоузлий [13]. Гены KNAT6 и BP, наряду с геном STM, участвуют в поддержании ПАМ [14, 15]. KNAT2 экспрессируется во время эмбриогенеза и маркирует основание ПАМ [15, 16]. Также было показано, что промотор гена KNAT2 активен в тканях корня [11].
Мишени ТФ KNOX в ПАМ
Известно, что фенотип растений со сверхэкспрессией KNOX генов напоминает фенотип растений с повышенным содержанием цитокининов [17—19]. Так, у транс генных растений табака со сверхэкспрессией гена кукурузы KN1 наблюдается снятие апикального доминирования [20], у растений арабидопсиса со сверхэкспрессией гена KNAT1 формируются "дольчатые" листья с многочисленными эктопическими меристемоподоб-ными структурами в пазухах, а также наблюдается ингибирование роста корней растяжением [21]. Подобные фенотипические проявления наблюдались и у трансгенных растений со сверхэкспрессией бактериального гена ipt, контролирующего биосинтез цитокининов. Такого рода наблюдения
свидетельствуют о том, что цитокинины и KNOX гены, возможно, задействованы в общих регулятор-ных механизмах.
Действительно, у трансгенных растений со сверхэкспрессией KNAT1 наблюдается увеличение содержания цитокининов изопентенилового типа (изопентениладенина и изопентениладено-зина). Накопление цитокининов изопентенило-вого типа происходило локально в тех тканях, которые демонстрировали наиболее значительные фенотипические изменения, в частности — по краям листьев, где закладывались меристемопо-добные структуры [21]. Причиной локального накопления цитокининов в меристемах, по всей видимости, является прямое влияние ТФ KNOX на экспрессию генов, контролирующих биосинтез цитокининов [20, 22, 23]. Для изучения генов-мишеней транскрипционного фактора STM авторы работ использовали гибридную конструкцию (35S::STM-GR), содержащую ген STM, "сшитый" с частью гена глюкокортикоидного рецептора (glucocorticoid receptor, GR). При добавлении гормона дексаметазона происходил перенос гибридного продукта из цитоплазмы в ядро и как следствие — активация генов-мишеней. Авторы показали, что активация STM приводит к увеличению экспрессии цитокинин-регулируемого гена ARR-5 (Arabidopsis response regulator 5) и генов AtIPT5 и AtIPT7, участвующих в биосинтезе цитокининов [22, 23]. В работе других исследователей с использованием аналогичной системы для активации KNAT2 также наблюдалось увеличение экспрессии гена AtIPT7 [20]. В биосинтез цитокининов вовлечена целая группа AtIPT генов (AtIPT1— AtIPT9) [24]. Поскольку в экспериментах по изучению влияния сверхэкспрессии KNOX генов (STM, KNAT1, KNAT2) на экспрессию IPT выявлено изменение экспрессии только двух AtIPT генов, авторы предположили, что существуют два пути биосинтеза цитокининов: KNOX-зависимый и KNOX-независимый [20].
Известно, что ауксины выполняют в развитии меристем функцию, противоположную функции цитокининов — так, при развитии надземной части растения они стимулируют закладку листьев на периферии ПАМ. В области инициации листового примордия про
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.