научная статья по теме БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ СВЕТОЗАВИСИМЫХ РЕГУЛЯТОРНЫХ ПРОЦЕССОВ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ СВЕТОЗАВИСИМЫХ РЕГУЛЯТОРНЫХ ПРОЦЕССОВ (ОБЗОР)»

УДК 577.25

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ СВЕТОЗАВИСИМЫХ РЕГУЛЯТОРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Обзор

© 2013 г. Г.Я. Фрайкин, М.Г. Страховская*, А.Б. Рубин

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва; факс: (495)939-1115, электронная почта: marstr@biophys.msu.ru

Поступила в редакцию 25.06.13

Открытие новых биологических фоторецепторов определило прогресс в изучении первичных механизмов рецепции света в фоторегуляторных процессах. Среди идентифицированных фоторецепторов особое место занимают две широко распространенные группы сенсоров синего/UV-A света — LOV-домен-содержащие белки и подобные ДНК-фотолиазам криптохромы, которые используют в качестве фотоактивных хромофоров флавиновые кофакторы (FMN или FAD). Бактериальные LOV-доменные модули связаны в фоторе-цепторных белках с регуляторными доменами, такими как дигуанилат циклазы/фосфодиэстеразы, гисти-дин-киназы и ДНК-связывающие домены, активация которых индуцируется фотопревращениями флави-нов. Идентификация сенсоров красного/дальнего красного света у хемотрофных бактерий (бактериофито-хромов) и получение кристаллических структур их фотосенсорного модуля с билиновым хромофором способствовали расшифровке механизмов фотоконверсии фитохромных рецепторов и начальных стадий фи-тохром-опосредованной трансдукции сигнала. Идентифицированный недавно у растений единственный регуляторный сенсор фотонов в UV-B области белок UVR8 отличается от других фоторецепторов отсутствием простетического хромофора: у UVR8 «UV-B антенной» служат триптофановые остатки уникальной белковой структуры. Проведенный в обзоре анализ новых данных о фотосенсорных свойствах идентифицированных фоторецепторов во взаимосвязи с их структурной организацией раскрывает характер влияния молекулярного микроокружения хромофоров на их светоиндуцированные реакции, механизмы, посредством которых активированные хромофоры инициируют конформационные изменения в окружающей белковой структуре, и структурные основы распространения этих изменений к взаимодействующим эффекторным доменам/белкам.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фитохромы, криптохромы, LOV-доменные фотосенсоры, хромофоры, структура, передача сигнала.

Как известно, биологические фоторецепторы опосредуют восприятие живыми организмами световых сигналов, конвертируя физический сигнал в каскад биохимической передачи сигнала. Сенсорами фотонов у фоторецепторов служат молекулы хромофоров, фотопревращение которых вызывает функциональную активацию фоторецепторных белков. Первичный индуцированный фотоном в хромофоре процесс явля-

Принятые сокращения: LOV — Light Oxygen Voltage; UVR8 - UV Resistance locus 8; PAS - Per arnt sim; GAF -cGMP Adenylat cyclase FhlA (formate hydrogen lyase transcription activator); PHY — phytochrome-specific GAF-domain; BLUF — Blue Light sensing Using FAD; MTHF — 5,10-метенилтетрагидрофолат; COPl — Constitutively pho-tomorphogenic 1; HY5 — Elongated hypocotyl 5; SPA — Supressor of PHYA1; STAS — sulfate transporter antisigma-fac-tor antagonist.

* Адресат для корреспонденции.

ется фотофизическим, а последующие реакции хромофора и белка в фоторецепторном хромо-протеиновом комплексе имеют химическую/биохимическую природу.

Среди известных регуляторных фотосенсорных систем самой совершенной принято считать фоторецепторную систему высших растений, включающую пять основных наиболее распространенных типов идентифицированных фотосенсоров: фитохромы, контролирующие красный (К)/дальний красный (ДК)-диапазоны спектра (600—750 нм) [1, 2] криптохромы [3], фототропины [4] и F-box-белки ZTL/FKFl/ /LKP2 (Zeitlupe/Flavin-Binding Kelch Repeat F-Boxl/ /LOV Kelch Protein 2) [5], контролирующих синюю/ультрафиолетовую (UV)-A области спектра (320—500 нм), а также сенсор фотонов UV-B области (290-320 нм) белок UVR8 [6]. Функционально взаимосвязанные, отмеченные фоторе-

1576

цепторы запускают программы развития растений и координируют циркадные ритмы их физиологических функций с суточным солнечным циклом [7—10].

Первым идентифицированным у растений фоторецептором был К-ДК-обратимый фито-хром. Билиновый хромофор фитохрома обеспечивает фотоконверсию рецептора между К- и ДК-поглощающими формами (Рг и Pfr), придавая ему свойства фотопереключаемого сенсора [11]. К настоящему времени родственные фи-тохрому рецепторы найдены у широкого круга организмов, включая грибы, цианобактерии и нефотосинтезирующие бактерии [12—15]. Важно отметить, что анализ кристаллических структур фотосенсорного ядра бактериофитохромов позволил получить новые сведения, имеющие ключевое значение для расшифровки механизмов фотоконверсии фитохромных рецепторов [16-18].

Рецепторы синего/UV-A света криптохро-мы, впервые идентифицированные у растений, позднее найдены и у многих организмов из других таксономических групп [19-23]. Крипто-хромы объединяет структурное сходство с ДНК-фотолиазами (ЕС 4.1.99.3) — флавинзависимы-ми ферментами, катализирующими фоторепарацию УФ-повреждений ДНК [24]. Однако у криптохромов отсутствует ДНК-репарирующая активность, и они функционируют как сенсорные рецепторы, опосредующие множество фо-торегуляторных процессов [3, 25, 26]. Кроме того, криптохромы фундаментально отличаются от фотолиаз механизмом фотопревращений флавинового хромофора (FAD) [27—29]. Одна из особенностей фотоцикла криптохромов заключается в образовании радикальной пары FADH'... ...Trp', с которой связывают их магниторецеп-торную функцию [30, 31].

У другого рецептора синего/UV-A света — фототропина, функцию фотосенсорных модулей выполняют два FMN-связывающих LOV-домена, фотоцикл которых сопровождается образованием «сигнального» FMN-цистеиниль-ного аддукта [4]. К настоящему времени LOV-доменные фотосенсорные белки составляют обширную группу фоторецепторов, идентифицированных как у эукариот, так и прокариот [32—36]. Все эти фотосенсоры содержат один LOV-домен, который связан с различными эф-фекторными доменами [32, 37—39]. Некоторые из них формируют функционально активные фоторецепторные комплексы [33, 36, 40—43], в том числе гибридный рецептор синего/К-света неохром, состоящий из фототропина и фотосенсорного модуля фитохрома [44], и многокомпонентный комплекс, выявленный у гриба

Aspergillus nidulans, который включает LOV-до-менный фоторецептор, фитохром и регулятор-ный белок VeA — продукт гена velvet (veA) [45]. Еще одна группа флавинзависимых сенсоров синего/UV-A света представлена BLUF-домен-ными белками, найденными у некоторых эвгле-ноидов и бактерий [34, 38].

Значительный интерес вызывает идентифицированный совсем недавно сенсор UV-B света, белок UVR8, который иницирует регуляторные изменения в экспрессии генов, способствуя УФ-акклиматизации и развитию растений на солнечном свету [6].

Полученные в исследованиях последних лет принципиально новые результаты, позволившие охарактеризовать первичные механизмы рецепции света и ранние этапы трансдукции светового сигнала, значительно продвинули понимание принципов действия различных биологических фоторецепторов. Эти этапы включают конфор-мационные изменения в молекулярном микроокружении хромофора, вызванные его первичными фотохимическими превращениями, и дальнейшее распространение сигнала от связывающей хромофор белковой структуры к эффек-торным доменам/белкам с последующей модуляцией их активности, в том числе связанной с регуляцией экспрессии светоиндуцибельных генов. На этих важных аспектах световой передачи сигнала, опосредуемого регуляторными фотосенсорными белками, фокусируется внимание в данном аналитическом обзоре.

ФИТОХРОМНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ К/ДК-СВЕТА

Фитохромы составляют широко распространенное семейство фоторецепторов, впервые обнаруженных у растений, где они выполняют функцию ключевых регуляторов фотоморфогенеза [1]. Принцип действия растительных фи-тохромов основан на существовании у этих фоторецепторов двух фотоиндуцированных взаи-мопревращающихся форм, которые отличаются длинноволновым максимумом поглощения: Рг (660 нм) и Р£г (730 нм) (рис. 1). Биологическая реализация фитохромных превращений отражает отношение форм Рг и Р£г, которое определяется уровнями освещения, влияющими на скорость прямой и обратной фотоконверсии, а также темновой реверсии фитохрома [11]. Фито-хромная система у высших растений представлена несколькими фитохромами, которые различаются по аминокислотной последовательности (гомология около 50%), но связывают один и тот же хромофор — фитохромобилин (см. ниже).

Рис. 1. Структура билиновых хромофоров: в растворе при нейтральном рН (конфигурация С15-/-8уп) и при связывании с апобелками РИув, СрИв и ВрИв — конфигурации С15-/-апи, принимаемые в Рг-форме фитохромов. Стрелки показывают фотоизомеризацию по двойной связи, инициирующую разнонаправленный поворот кольца Б у двух типов хромофоров с их переходом в конфигурацию С15-Е-апи, принимаемую в Р1г-форме фитохромов [11, 54]

Из них фитохромы А (phyA) и B (phyB) являются преобладающими видами, а фитохромы С, D и E — минорными. Растительные фитохромы in vivo находятся в виде димерных хромопротеи-нов, мономеры которых с молекулярной массой ~120—130 кДа состоят из ~1128 аминокислотных остатков (а.о.) [46]. Фитохромные гомологи, найденные у цианобактерий, хемотрофных бактерий и грибов [12—15, 47, 48], получили названия цианобактериальных фитохромов (Cphs), бактериофитохромов (BphPs) и грибных фитохромов (Fphs). Их открытие продемонстрировало, что фитохромные рецепторы не ограничиваются фотосинтезирующими организмами, и подтвердило полученные в ранних исследованиях сведения о возможном существовании фитохромов у гетеротрофов [49—51].

Доменная структура фитохромов. Известное в настоящее время большое число последовательностей фитохромов позволяет классифицировать их в субсемейства и выявить консервативные последовательности и домены, которые либо присущи всем фитохромам, либо сохранены у отдельных субсемейств [11]. Phys, Cphs, Fphs и многие BphPs объединяет общая структура, состоящая из ^-терминального фотосенсорного модуля с тремя консервативными доменами (PAS, GAF и PHY) и С-терминального регуля-торного гистидин киназного домена (HKD) или родственного ему домена HKRD. В с

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.

Показать целиком