ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2014, том 61, № 2, с. 155-169
= ОБЗОРЫ
УДК 581.1
МЕХАНИЗМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КАЛЬЦИЕВОЙ СИГНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ У РАСТЕНИЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ ТЕПЛОВОГО СТРЕССА. РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В ЭТОМ ПРОЦЕССЕ © 2014 г. Е. Г. Рихванов, И. В. Федосеева, Д. В. Пятрикас, Г. Б. Боровский, В. К. Войников
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений
Сибирского отделения РАН, Иркутск Поступила в редакцию 07.05.2013 г.
Мягкий тепловой стресс индуцирует экспрессию белков теплового шока (БТШ), которые защищают растения от гибели при повреждающем тепловом воздействии. Предполагалось, что появление в клетке денатурированных белков является триггером запуска экспрессии БТШ, но полученные в последнее время результаты показывают, что денатурация белков не является обязательным условием для этого процесса. В данной работе обсуждается гипотетический механизм активации экспрессии БТШ при действии теплового стресса, который активируется в результате кратковременного повышения уровня Са2+ в цитозоле. Согласно предлагаемой гипотезе, длительное повышение уровня Са2+ оказывает отрицательный эффект на экспрессию БТШ. Поэтому кальций транспортируется из цитозоля во внутриклеточные компартменты, в том числе, в митохондрии. Поступление Са2+ в митохондрии сопровождается гиперполяризацией внутренней митохондриальной мембраны и усилением продукции активных форм кислорода. В условиях мягкого теплового стресса усиление продукции АФК способствует активации экспрессии БТШ, но в условиях жесткого теплового шока это является причиной гибели растений. Таким образом, митохондрии, а также, возможно, другие органеллы, регулируя содержание Са2+ в цитозоле и продукцию АФК, определяют жизнь и смерть растительной клетки при тепловом воздействии.
Ключевые слова: высшие растения — ионы кальция — митохондрии — термотолерантность — белки теплового шока
DOI: 10.7868/S0015330314020134
ВВЕДЕНИЕ
Чтобы защитить себя от повреждающего воздействия высоких температур, растения синтезируют белки теплового шока (БТШ или HSP, от heat shock protein) [1-3]. БТШ, действуя в качестве шаперонов, восстанавливают поврежденные при нагревании белки или, если это невозможно, способствуют их деградации [1]. Тем не менее, на сегодняшний день нет четкого ответа, как инициируется экспрессия БТШ? Описаны транскрип-
Сокращения: БТШ — белки теплового шока (или HSP, heat shock protein); мтДу — потенциал на внутренней митохондриальной мембране; пмДу — потенциал на плазматической мембране; ПКГ — программируемая клеточная гибель; ФТШ — фактор теплового шока; ЭПР — эндоплазматиче-ский ретикулум; CaM — кальмодулин; [Са2+]цит — цитоплаз-матический Са ; [Са2+]мит — митохондриальный Са2+; СССР — карбонил-цианид m-хлорфенилгидразон (от carbo-nyl cyanide m-chlorophenylhydrazone); HSE — элемент теплового шока (от heat shock element).
Адрес для корреспонденции: Федосеева Ирина Владимировна. 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 132, а/я 317. Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН. Электронная почта: fedoseeva@sifibr.irk.ru
ционные факторы теплового шока (ФТШ или Hsf, от heat shock factor), активирующие экспрессию БТШ, установлены промоторные последовательности, с которыми взаимодействуют ФТШ, но о первопричинах активации экспрессии можно только догадываться. Согласно классической модели [4, 5], ФТШ в обычных условиях находится в инертном, мономерном состоянии в результате взаимодействия с HSP90 и HSP70. При повышении температуры появляются денатурированные белки, которые связываются с HSP90/HSP70. В результате ФТШ освобождается из комплекса, олигомеризуется, транспортируется в ядро, где и активирует экспрессию БТШ [4, 5]. Но эта модель не объясняет, почему агенты, не вызывающие денатурацию белков, тем не менее, активируют экспрессию БТШ [2, 3, 6-8]. Более того, при повышении температуры экспрессия БТШ может происходить независимо от появления денатурированных белков [6, 7]. Следовательно, появление денатурированных белков яв-
26
37
39
(а) 43 46
50
°С
ШР101 ШР70 ШР60 ШР17.6 (I) Ы8Р17.6 (II) Суг с
14
12
£ Я н
1310 <ч о
1-С
о
о
и
Я
ч 3 т о о X се н
° I—г О
^ 6
(б)
26
37
26°С
39 26 (в)
37
39 °С
50°С 26-50°С
ляется достаточным, но не обязательным условием для экспрессии БТШ. Вместе с тем, получены данные, свидетельствующие, что усиление генерации АФК и кратковременное повышение уровня Са2+ в цитозоле может играть важную роль в активации экспрессии БТШ при действии теплового стресса [2, 6, 7, 9-11].
В обзоре рассмотрено функционирование кальциевой сигнальной системы растений при повышении температуры, а также ее роль в активации экспрессии БТШ. На основании проведенного анализа сформулирована гипотеза, согласно которой митохондрии растений играют одну из ключевых ролей в регуляции кальциевого сигнала.
ИНДУЦИРОВАННАЯ ТЕРМОТОЛЕРАНТНОСТЬ И ЭКСПРЕССИЯ БТШ
Кратковременное повышение температуры до 37-38°С, которое не оказывает негативного влияния, назовем это явление "тепловой стресс", повышает способность растений переносить последующее повреждающее тепловое воздействие или "тепловой шок". Это явление известно как индуцированная или приобретенная термотолерантность [1, 2]. Индуцированная термотолерантность зависит от экспрессии БТШ. Тепловой стресс 37°С индуцирует синтез БТШ в культуре клетокАгаЫйор$15 ЛаНапа (рис. 1а) и одновременно повышает их устойчивость к повреждающему тепловому шоку 50°С (рис. 1б, в). Повышение температуры до 39°С подавляет синтез БТШ (рис. 1а), и развития индуцированной термотолерантности не происходит (рис. 1б) [12].
Основную роль в индуцированной термотолерантности растений играет Ы8Р101 [13]. Ы8Р101 принадлежит к семейству белков Ы8Р100/С1рВ, которые используют энергию гидролиза АТФ для диссоциации агрегированных белков и передачи развернутых полипептидов для последующего рефол-динга Ы8Р70 и Ы8Р40. Белки Ы8Р100/С1рВ тесно взаимодействуют с низкомолекулярными БТШ, которые при тепловом шоке включаются в состав белковых агрегатов и, тем самым, способствуют дезагрегирующей активности Ы8Р100/С1рВ [14].
Рис. 1. Тепловой стресс при 37°С индуцирует синтез БТШ и защищает культуру клеток А. ШаНапа от гибели при повреждающем тепловом шоке 50°С [12]. а - синтез БТШ после теплового воздействия различной интенсивности. Развитие индуцированной термотолерантности, определяемое по восстановлению ТТХ (б) и возобновлению роста клеток (в).
КАЛЬЦИИ В ОТВЕТНОЙ реакции НА ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
Ионы Са2+ играют важную роль на всех этапах онтогенеза растений, а также в адаптации к неблагоприятным условиям существования [15]. Стрессовые воздействия приводят к кратковременному повышению уровня Са2+ в цитозоле ([Са2+]цит) [15, 16]. Бияшева и соавт. [17], исполь-
4
2
0
зуя протопласты гороха, пожалуй, впервые показали повышение ^a2*]^ при тепловом воздействии. Впоследствии эти результаты были подтверждены с использованием других растительных объектов [2, 7, 18-22].
Повышение ^a2*]^ играет важную роль в активации экспрессии БТШ [2], а ингибирование этого процесса подавляет защитный ответ растительной клетки [7, 20-25]. Положительная связь между ^a2*]^ и экспрессией БТШ подтверждается в экспериментах с агентами, повышающими ^a2^^ Обработка CaCl2 активировала синтез БТШ [19, 23, 26-29] и индуцировала термотолерантность [18, 29]. Аналогичным образом амио-дарон, препарат, обладающий фунгицидной активностью, а также протонофор CCCP (от carbo-nyl cyanide m-chlorophenylhydrazone) повышали ^a2*]^ и одновременно активировали экспрессию гена HSP101 [30].
Несмотря на то, что повышение ^a^^ играет важную роль в развитии защитных реакций, превышение его уровня может иметь неблагоприятные последствия [15, 31]. Хотя принято считать, что основной причиной гибели при действии жесткого теплового шока является денатурация (агрегация) клеточных белков и усиление продукции АФК [1, 2], очевидно, что чрезмерное повышение ^a2*]^ является еще одной причиной гибели. Повышение ^a^^ наблюдается не только при мягком тепловом стрессе, но и при более жестком, повреждающем тепловом шоке [18, 32]. Подавление поступления Ca2+ в клетку защищало протопласты A. thaliana от гибели при жестком тепловом воздействии [33].
Токсичность кальция, вероятно, обусловлена тем, что ионы Ca2+ образуют комплексы с отрицательно заряженными молекулами, например, фосфатами [15]. Кроме того, кальций может регулировать развитие программируемой клеточной гибели (ПКГ). Повышение ^a2*]^ при действии теплового шока активирует в растениях A. thaliana MAP киназу 6 (MPK6), которая необходима для активации экспрессии гена yVPE. Ген yVPE кодирует вакуолярный процессирующий фермент, который обладает каспазной активностью и участвует в запуске ПКГ [32]. Таким образом, становится очевидным, что Ca2+ играет двойную роль в реакции растений на повышение температуры. С одной стороны, он активирует экспрессию БТШ и может защищать растение от гибели, с другой стороны, он может эту гибель стимулировать.
КАЛЬЦИЙ-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ
Физиологический эффект кальция зависит от его способности взаимодействовать со специальными Са2+-связывающими белками. Большинство таких белков содержат последовательность, состоящую из 12 аминокислот (EF-мотив), которая связывает ионы Са2+ с высокой специфичностью [15, 16]. В число белков, содержащих EF-мо-тив, входят кальмодулин (CaM), кальмодулин -подобные белки, кальценеврин B-подобные белки и Са2+-зависимые протеинкиназы (Ca2+-de-pendent protein kinase, CPK или CDPK) [34]. Кроме того, существуют такие белки, как аннексины и белки с С2 доменом, которые не имеют EF-мо-тива, но, тем не менее, способны связываться с Са2+ [15, 16].
Согласно данным работы [16], белки, содержащие EF-мотив, можно условно разделить на две группы: белки, передающие сигнал (sensor relays), и белки, воспринимающие сигнал (sensor re-sponders). Как правило, белки, передающие сигнал, не имеют собственной ферментативной активности. Но при связывании с ионами Ca2+ они взаимодействуют с другими белками и модулируют их активность. За небольшим исключением CaM и кальценевр
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.