БИОХИМИЯ, 2006, том 71, вып. 8, с. 1034 - 1042
УДК 577.152.34.042
УЧАСТИЕ ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РАСТЕНИЙ С ФИТОПАТОГЕННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ
Обзор
© 2006 г. В.В. Мосолов, Т.А. Валуева**
Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, 119071 Москва, Ленинский пр, 33; факс: (495)954-2732, электронная почта: valueva@inbi.ras.ru
Поступила в редакцию 13.03.06 После доработки 30.03.06
Рассмотрены различные формы участия протеолитических ферментов в патогенезе и защите растений. Наряду с внеклеточными протеиназами, фитопатогенные микроорганизмы продуцируют специфические эффекторы, обладающие протеолитической активностью и способные действовать на белки внутри растительной клетки. В свою очередь, растения для защиты от патогенных микроорганизмов используют как внеклеточные, так и внутриклеточные протеиназы. Среди последних особая роль принадлежит вакуоляр-ным процессирующим ферментам (легумаинам), которые выполняют функции каспаз в растительной клетке.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: белки-эффекторы, каспазы, метакаспазы, легумаины, Arabidopsis.
Геном растений содержит множество генов, кодирующих протеолитические ферменты различных каталитических типов. У Arabidopsis thaliana число идентифицированных генов про-теиназ приближается к 500. Наиболее широко представлены ферменты, относящиеся к семействам субтилизина (88), папаина (С1) и пепсина (А1) [1]. Такой сложный набор протеиназ отражает многообразие их функций у растений. Протеолитические ферменты не только осуществляют распад и посттрансляционные превращения запасных белков в семенах растений [2—4], но играют ключевую роль в регуляции таких важных физиологических процессов как старение листьев и цветов, образование проводящих путей, эмбриогенез и ряде других [5—7]. Активную роль протеиназы играют также в ответной реакции растений на различные внешние воздействия как абиотического, так и биотического характера. К числу последних относится взаимодействие растений с патогенными микроорганизмами [8]. Фитопатогенные микроорганизмы, в свою очередь, широко используют проте-олитические ферменты как для проникновения в растение и получения питательных веществ, так и для активного воздействия на защитные барьеры растений [9—11].
* Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
Цель представленного обзора состоит в рассмотрении имеющихся данных относительно различных форм участия протеолитических ферментов во взаимодействии растений с патогенными микроорганизмами.
ПРОТЕИНАЗЫ МИКРООРГАНИЗМОВ
Фитопатогенные бактерии и грибы секрети-руют в окружающую среду сложный набор гид-ролаз, которые играют активную роль в преодолении защитных барьеров растений и в развитии заболеваний [12]. К их числу относятся и протеолитические ферменты различных каталитических типов [9]. На важную роль протеиназ указывает наблюдавшаяся в ряде случаев прямая зависимость между активностью внеклеточных протеиназ микроорганизмов и интенсивностью заболевания у растений [13—16]. К аналогичному заключению приводят и многочисленные опыты, показывающие, что белковые ингибиторы протеиназ, содержащиеся в растениях, не только подавляют активность ферментов, секретируемых микроорганизмами, но и оказывают угнетающее действие на их рост и развитие [17—20]. Недавно было показано, что трансгенная экспрессия ингибиторов протеиназ у растений повышает их устойчивость к бакте-
риальным и грибным инфекциям [21]. Участие внеклеточных микробных протеиназ в патогенезе может носить различный характер: от разрушения структурных белков клеточной стенки [14, 22] и других защитных белков растений [23, 24] до процессинга собственных внеклеточных белков микроорганизмов, существенных для развития заболевания [25]. Действие внеклеточных протеиназ фитопатогенных микроорганизмов было более подробно рассмотрено в наших предшествующих обзорах [9, 26, 27].
Однако участие протеиназ в патогенезе не ограничивается ферментами, секретируемыми микроорганизмами в окружающую среду. Существуют механизмы, позволяющие осуществлять перенос белков из бактериальной клетки через мембраны и клеточные стенки непосредственно в апопласт или цитоплазму растительной клетки. Одним из таких механизмов является система секреции типа III (T3SS), обнаруженная у грамотрицательных бактерий [28, 29]. Переносимые таким путем белки, эффекторы, являющиеся продуктами генов авирулентности (Avr), вызывают защитную реакцию у растений, содержащих соответствующие гены резистентности (R). В то же время они способствуют развитию заболевания у растений, у которых R-гены отсутствуют [30]. К числу грамотрицательных бактерий, обладающих системой T3SS, относятся многие патогены растений, представители родов Pseudomonas, Xanthomonas, Ralstonia, Erwinia и Pantoea [31]. Первые результаты в изучении биохимических механизмов, лежащих в основе действия белков-эффекторов, были получены после того, как было установлено наличие у ряда из них ферментативной, в том числе, протеоли-тической активности [32]. Известные в настоящее время белки-эффекторы, обладающие свойствами протеиназ, представлены в таблице. Все они могут быть разделены на четыре семейства родственных белков. Представители семейств YopJ и XopD принадлежат к клану CE цистеино-вых протеиназ, а представители семейств YopT и AvrRpt2 — к клану CA. Ниже свойства ряда эффекторов рассматриваются более подробно.
Авирулентный белок AvrPphB бактерии Pseudomonas syringae pv. phaseolicola c молекулярной массой 35 кДа подвергается автоактивации в бактериальной клетке с образованием двух фрагментов 7 и 28 кДа. После переноса в растительную клетку фрагмент 28 кДа ацилируется остатком жирной кислоты и в такой форме переносится на цитоплазматическую мембрану. AvrPphB вызывает гиперчувствительный ответ у растений Arabidopsis, экспрессирующих белок RPS5 [11]. По своей пространственной структуре и расположению остатков Cys98, His212 и
Asp227, образующих триаду активного центра протеиназы, AvrPphB напоминает папаин [47]. Мутанты, у которых были заменены остатки Cys, His или Asp, входящие в состав активного центра, утрачивали в равной степени, как биологическую активность, так и способность к автоактивации [38, 39]. Взаимодействие AvrPphB с RPS5 не носит прямого характера. Необходимо присутствие третьего компонента, белка PBS1, который и является истинным субстратом протеиназы. Белок PBS1, обладающий свойствами серин/треонинкиназы, расщепляется на два фрагмента, затем подвергается автофосфорили-рованию и действует как триггер, активирующий передачу сигнала с участием RPS5 [11, 39]. Высказывается предположение, что все три белка, участвующие в процессе, остаются связанными с плазматической мембраной [48].
Другой эффектор, AvrRpt2, обнаруженный у Ps. syringae pv. tomato, принадлежит к отдельному семейству и пока не имеет аналогов (см. таблицу). AvrRpt2 индуцирует гиперчувствительный ответ у устойчивых растений Arabidopsis, экспрес-сирующих белок RPS2. Напротив, у растений, у которых данный белок отсутствует, эффектор AvrRpt2 способствует развитию заболевания [10]. Белок-эффектор с молекулярной массой 28 кДа подвергается протеолитическому расщеплению внутри растительной клетки по связи Gly71-Gly72 с образованием двух фрагментов 21 и 7 кДа. С-концевой фрагмент 21 кДа действует как триггер защитного ответа [49]. Несмотря на то, что процессинг AvrRpt2 носит автокаталитический характер, необходимо присутствие некоего дополнительного фактора, содержащегося в экстрактах из животных и растительных тканей [50]. Строение молекулы эффектора AvrRpt2 и расположение аминокислотных остатков, входящих в состав активного центра, имеют определенное сходство со стафопаином, цистеино-вой протеиназой из Staphylococcus aureus [45]. В качестве субстрата AvrRpt2 в клетках Arabidopsis был идентифицирован белок RIN4 [51, 52]. Протеолиз RIN4 служит сигналом для гиперчувствительного ответа, в котором принимает участие также белок RPS2. В то же время очищенный эффектор AvrRpt2 не действует на белок RIN4 in vitro. Для взаимодействия необходимо присутствие эукариотического кофактора, по-видимому, идентичного тому, который задействован в процессинге самого эффектора [45]. Недавно была установлена природа этого фактора. Им оказался белок циклофилин [53].
Различные представители бактерий рода Yersinia, патогены животных и растений, образуют эффекторы, известные как Yop (Yersinia outer proteins). Будучи введены в клетку хозяина, расте-
Бактериальные белки-эффекторы, обладающие свойствами цистеиновых протеиназ
Семейство T3SS Эффектор Микроорганизм Протеиназа* Семейство Субстрат Литература
YopJ AvrXv4, AvrBsT, AvrRxv, XopJ X. campestris pv. vesicatoria C55 Конъюгаты SUMO-белок [33]
PopPl, PopP2, PopP3 Ralstonia solanacearum C55 Белок RRS1 Arabidopsis [34]
AvrPpi G1 Ps. syringae pv. pisi C55 [35]
HopPma D Ps. syringae pv. maculicola [36]
ORF B Erwinia pyrifoliae [11]
Y410 Rhizobium sp. NGR234 [11]
XopD XopD PsvA X. campestris pv. vesicatoria Ps. syringae pv. eriobotryae C48 Конъюгаты SUMO-белок [37] [11]
YopT AvrPph B AvrPpi C2 Ps. syringae pv. phaseolicola Ps. syringae pv. pisi C58 Белок PBS1 Arabidopsis [38, 39] [35]
HopPto C, HopPto N Ps. syringae pv. tomato C72 [40, 41]
BLR2140, BLR2058 Bradyrhizobium japonicum [42, 43]
Y4z C Rhizobium sp. NGR234 [44]
AvrRpt 2 AvrRpt 2 Ps. syringae pv. tomato C70 Белок RIN4 Arabidopsis [45]
* Здесь и далее использована классификация протеиназ из базы данных «MEROPS» [46].
ния или животного, они препятствуют развитию иммунного ответа [54]. Некоторые из эффекторов, принадлежащих к семейству белков YopJ, такие как AvrBsT и AvrXv4 из Xanthomonas campestris pv. vesicatoria, обладают значительным сходством с протеиназой ULP1 из дрожжей Saccharomyces cerevisiae [33, 55]. Фермент ULP1 контролирует у дрожжей процесс взаимодействия SUMO (small ubiquitin-like modifier) с различными белками [56]. Протеиназы этого типа содержат в каталитическом центре триаду His/Glu/Cys или His/Asp/Cys и относятся к клану CE цистеиновых протеиназ [55]. Модификация остатков, расположенных в активном центре фермента, приводит к утрате
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.