Ш БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2012, том 38, № 1, с. 7-17
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 577.112
ЗАЩИТНЫЕ ПЕПТИДЫ ИММУНИТЕТА РАСТЕНИЙ
© 2012 г. Ц. А. Егоров**, Т. И. Одинцова**
*Учреждение РАН Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН,
117997, ГСП, Москва, В-437, ул. Миклухо-Маклая 16/10 **Учреждение РАН Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, Москва Поступила в редакцию 26.06.2011 г. Принята к печати 24.08.2011 г.
Антимикробные пептиды — это природные антибиотики, которые синтезируются в клетках всех живых организмов для борьбы с патогенами и являются важнейшими эффекторными молекулами иммунной системы животных и растений. Антимикробные пептиды разнообразны по структуре и механизмам действия. На основе гомологии аминокислотных последовательностей и пространственной структуры их подразделяют на несколько семейств: дефензины, тионины, липидперено-сящие белки, гевеино- и ноттиноподобные пептиды, а также циклотиды. Обладая широким спектром антимикробной активности, антимикробные пептиды представляют несомненный интерес для повышения устойчивости сельскохозяйственных растений методами генетической инженерии, а также для разработки лекарственных препаратов нового поколения. В настоящем обзоре кратко изложены свойства основных исследованных авторами семейств антимикробных пептидов растений — дефензинов и гевеиноподобных пептидов, а также нового семейства 4-Суъ-пептидов.
Ключевые слова: растения, защитные пептиды, антимикробные пептиды, иммунитет растений, фи-топатогены.
ВВЕДЕНИЕ
Растения являются богатым источником разнообразных биологически активных веществ, в том числе пептидов [1]. Среди них фитогормоны — регуляторы клеточного деления, роста и развития растений, а также индукторы (элиситоры) защитных реакций. Многие пептиды растений выполняют непосредственно защитные функции, обеспечивая устойчивость растений к биотическому и абиотическому стрессу [2]. Таковыми являются антимикробные и инсектицидные пептиды, подавляющие рост и развитие патогенных грибов и бактерий, а также насекомых-вредителей. Наряду с сигнальными пептидами, участвующими в активации защитных реакций, их объединяют в группу защитных пептидов растений. Защитным пептидам принадлежит ключевая роль в многоуровневой иммунной системе растений, направленной на ограничение распространения и уничтожение патогена. Из неоднородной по структуре и функциям группы защитных пептидов растений в настоящей работе рассматриваются только три семейства антимикробных пептидов, исследованием которых занимались авторы.
По современным представлениям, в основе функционирования иммунной системы растений лежит узнавание рецепторами растительной
Сокращения: АМП — антимикробный пептид. #Автор для связи (тел.: +7(495)335-40-22; факс: +7(495) 330-73-01; эл. почта: ego@ibch.ru).
клетки сигнальных молекул (элиситоров) патогена (pathogen- или microbe-associated molecular patterns, PAMPs или MAMPs) [3] или молекул, образующихся из поврежденных клеток самого растения (damage-associated molecular patterns, DAMPs). Узнавание патогена служит пусковым механизмом для индукции защитных реакций и активации экспрессии защитных генов. В ответ на атаку патогена или конститутивно растения в определенных органах или тканях синтезируют целый ряд антимикробных соединений, которые ингибируют рост и развитие микробов. По химической природе они подразделяются на вторичные метаболиты — фитоалексины и фитоантисипины, и антимикробные полипептиды. Антимикробные полипептиды, в свою очередь, подразделяются на две основные группы: полипептиды с молекулярной массой выше 10 кДа, и пептиды с молекулярной массой менее 10 кДа.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНТИМИКРОБНЫХ ПЕПТИДОВ РАСТЕНИЙ
Антимикробные пептиды (АМП) эта группа защитных соединений растений, которые интенсивно исследуются в последние годы [2, 4—6]. Созданы специальные базы данных, в которых собраны имеющиеся сведения об АМП растений. АМП обеспечивают древний механизм врожденной устойчивости, который заключается в быстром формировании "первой линии обороны"
Основные семейства антимикробных пептидов растений
Семейство Число аминокислотных остатков Дисульфидные связи Активны против
ЛПБ 90-95 (класс 1) 4 Бактерии и грибы
70 (класс 2)
Дефензины 45-54 4, 5 То же
Тионины 45-47 3, 4 То же
Гевеиноподобные пептиды 30-44 3, 4, 5 Грам+ бактерии и грибы
Ноттиноподобные пептиды 36-37 3 То же
Макроциклические пептиды 29-31 3 Грам+ бактерии
^Cys-rom^^i 25-50 2 Грибы
против патогенов. В пользу защитной роли АМП свидетельствуют три группы данных: антимикробная активность in vitro, повышение устойчивости к патогенам трансгенных растений, конститутивно экспрессирующих гены антимикробных пептидов, а также усиление экспрессии генов АМП в ответ на биотический и абиотический стресс.
Десятки АМП выделены из растений, прежде всего из семян. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что набор АМП, образующихся в растениях в ответ на инфекцию, с одной стороны, видоспецифичен, с другой, зависит от типа патогена. АМП обладают рядом общих физико-химических свойств: небольшим размером молекул (30—90 а.о.), положительным зарядом и амфифиль-ностью структуры. Все эти свойства позволяют АМП непосредственно или с участием рецепторов взаимодействовать с мембранами микроорганизмов, нарушая ее проницаемость. Большинство выделенных из растений АМП относятся к цистеин-богатым пептидам, в молекулах которых четное число остатков цистеина (2, 4, 6, 8 и 10), образует дисульфидные связи, что придает молекулам высокую структурную стабильность. По гомологии аминокислотных последовательностей, цистеиново-го мотива и пространственной структуры различают несколько семейств АМП растений: тионины, дефензины, неспецифические липид-переносящие белки, гевеино- и ноттиноподоб-ные пептиды, а также макроциклические пептиды (циклотиды) (см. таблицу и рисунок) [2]. Недавно было охарактеризовано новое семейство пептидов растений, содержащих 4 остатка Cys, так называемых 4-Cys-пептидов (наши неопубликованные данные).
Хотя основные семейства АМП были описаны у растений более 20 лет назад, поиск новых биологически активных молекул продолжается. В этом плане особый интерес представляют дикорастущие виды, обладающие повышенной устойчивостью к патогенам. Оказалось, что некоторые АМП, которые были первоначально обнаружены
лишь у определенного вида растений, имеют значительно более широкое распространение, чем предполагалось ранее. Расширяется и спектр структурных типов АМП, обнаруженных у растений. Несмотря на кажущееся разнообразие структур пептидов, выделенных из различных источников, все исследованные АМП содержат общий, так называемый у-коровый (у-еоге) мотив, который, по всей вероятности, представляет собой древний тип АМП, к которому в ходе эволюции присоединялись различные структурные элементы (а-спирали или/и Р-тяжи) [7]. Дефензины являются древнейшим семейством АМП, поскольку были обнаружены у всех живых существ. Некоторые семейства (тионины, липидперенося-щие белки) встречаются только у растений. АМП растений синтезируются в виде предшественников, которые кодируют либо одну молекулу АМП, либо несколько гомологичных пептидов.
АМП обладают широким спектром антимикробного действия, ингибируя рост фитопатогенов в микромолярных концентрациях. Механизм действия АМП растений мало изучен. Считается, что первичной мишенью их действия, как и в случае АМП животных, является мембрана патогенов. Предложено несколько моделей взаимодействия АМП с плазматическими мембранами микроорганизмов. Ингибирующий эффект связывают с нарушением целостности мембран, образованием пор, нарушением барьерной функции или/и действием на внутриклеточные мишени.
Анализ полностью секвенированных геномов растений свидетельствует о том, что в растениях сотни АМП-подобных последовательностей, которые составляют 2—3% от общего числа генов у модельных растений — арабидопсиса и риса. Показано, что 59% из них экспрессируются, однако особенности экспрессии большинства из этих генов практически не изучены [8].
Свойства основных семейств АМП будут рассмотрены ниже.
Трехмерные структуры некоторых АМП растений: Ec-AMP1 семян Echinochloa crusgalli (2L2R), Ac-AMP2 семян Ama-ranthus audatus (1MMC); PAFP-S семян Phytolacca americana (1DKC); Rs-AFP1 семян Raphanus sativus (1AYJ); LTP1 семян Triticum aestivum (1LPT); WAMP-1a семян Triticum kiharae (2LB7). В скобках приведены номера структур по базе данных Protein Data Bank.
Ec-AMP1 2 S-S-связи 4-Суъ-пептиды
Ac-AMP2 3 S-S-связи Гевеиноподобный
PAFP-S
3 S-S-связи Ноттиноподобный
Rs-AFP1 4 S-S-связи Дефеинзин
LTP1
4 S-S-связи Липидпереносящий белок
WAMP-1a 5 S-S-связи Гевеиноподобный
ДЕФЕНЗИНЫ
Это единственное семейство антимикробных пептидов, которое обнаружено у всех живых существ — от млекопитающих до миксобактерий. Дефензины являются наиболее изученным семейством АМП растений [9—12]. Они обнаружены у растений всех исследованных семейств в семенах, листьях, цветках, клубнях и плодах. Методами биоинформатики в геноме арабидопсиса выявлено более 300 дефензиноподобных последовательностей [13]. Растительные дефензины — короткие, положительно заряженные полипептиды, содержащие 8 остатков цистеина (10 в дефен-зинах цветков растений семейства Solanaceae) [12]. Гомология аминокислотных последовательно -стей между дефензинами различных видов растений довольно низкая, за исключением консервативно расположенных остатков цистеина. В то же время, сходство первичной структуры в пределах семейств, как правило, значительно выше, чем между дефензинами растений, относящихся к разным семействам [14]. Хотя из этого общего правила есть и исключения. Так, нами была выявлена существенная гомология аминокислотных
последовательностей (73%) между дефензинами Nigella sativa и Raphanus sativus [15], относящихся к семействам Ranunculaceae и Brassicaceae, соответственно. Этот факт свидетельствует об общности происхождения всех растительных дефензи-нов. Несмотря на различия в аминокислотной последовательности, пространственная структура дефензинов растений сходна и представ
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.