ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2013, том 60, № 4, с. 529-536
= ОБЗОРЫ
УДК 581.1
ПРОЛИФЕРАЦИЯ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ И ЕЕ РЕГУЛЯТОРЫ
© 2013 г. Г. В. Новикова, А. В. Носов, Н. С. Степанченко, А. А. Фоменков,
А. С. Мамаева, И. Е. Мошков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 29.10.2012 г.
Рост растений, где одним из определяющих процессов является деление клеток, регулируется фи-тогормонами. В настоящем мини-обзоре проведен анализ литературы, касающейся молекулярных механизмов контроля фитогормонами пролиферации клеток растений.
Ключевые слова: высшие растения - фитогормоны — пролиферация клеток — клеточный цикл
Б01: 10.7868/80015330313040118
ВВЕДЕНИЕ
В отличие от животных, рост растений, происходящий в течение всей жизни растительного организма, — постэмбриональный непрерывный процесс, основанный на делении клеток и увеличении их размеров. Однако применительно к растениям целесообразнее рассматривать не просто регуляцию деления клеток, а говорить о клеточной пролиферации, включающей в себя контроль собственно митотического цикла, а также программируемый выход из цикла и его реактивацию. Безусловно, различные варианты реализации клеточного цикла (эндомитоз, эндоредупли-кация и др.) вместе с дифференциацией и гибелью клеток — факторы, определяющие рост и развитие растений. Эти процессы, рассматриваемые на клеточном уровне, должны быть связаны с определенными онтогенетическими программами.
Нарушения клеточной пролиферации у растений может иметь серьезные последствия, хотя растения достаточно устойчивы к изменениям уровня регуляторов клеточного цикла. Изучение генов, кодирующих белки, управляющие клеточным циклом, роли фитогормонов и их рецепто-
Сокращения: АЦК - аминоциклопропан-1-карбоновая кислота; ПЦ - покоящийся центр; BrdU — 5-бромо-2'-дезокси-уридин; САК — CDK-активируемая киназа, где CDK — цик-лин-зависимая протеинкиназа; CKI — ингибитор CDK; CPK — кальций-зависимая протеинкиназа; CYC — циклин; RBR — белок, сходный с продуктом гена ретинобластомы; KRP — белок, сходный с белком KIP; Pre-RC — пререплика-тивный комплекс.
Адрес для корреспонденции: Новикова Галина Викторовна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: 007 (499) 977-80-18; электронная почта: gv.novikova@mail.ru
ров, а также путей передачи гормональных сигналов в настоящее время приобрело существенный размах. Стало очевидным, что за прохождение клеточного цикла отвечает многокомпонентная регуляторная система, включающая контролируемую транскрипцию, белок-белковые взаимодействия, процессы фосфорилирования/дефос-форилирования, а также деградацию белков [13]. В настоящем обзоре проведен анализ литературы, касающейся молекулярных механизмов контроля фитогормонами пролиферации клеток растений.
МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА
У растений, как у всех эукариот, процесс клеточного деления включает фазы репликации и сегрегации ДНК: S-фазу (S) и митоз (M). Между ними имеется два интервала G1 и G2: G1 — промежуток между M- и S-фазами, а G2 — между S- и M-фазами. Для того, чтобы каждая дочерняя клетка получила одинаковый набор наследственного материала, необходимо контролировать G1/S- и G2/M-переходы. Основными регуляторами, обеспечивающими эти переходы у растений, как и у других организмов, являются Сер/Тре циклин-зависимые протеинкиназы (CDK, от Cyclin-Dependent Kinase), которые активируются в результате связывания с регулятор-ными белками циклинами (CYC) (таблица).
У Arabidopsis CDK разделяют на семь классов: от A до G, — на основании сходства последовательностей доменов связывания с CYC [4]. У всех эукариот CDKA — главные регуляторы G1/S- и G2/M-переходов (таблица), имеющие консерва-
Циклин-зависимые протеинкиназы (CDK) Arabidopsis и циклины, регулирующие клеточный цикл
Регулятор Представитель семейства Фаза клеточного цикла
CDK
A 1 G1/S и G2
B 1;1 G2/M
B 1;2 G2/M
В 2;1 G2
в 2;2 G2
Циклины
A 1;1/1;2 G1/S (G2/M)
A 2;1/2;2/2;3/2;4 G1/S (G2/M)
A 3;1/3;2/3;3/3;4 G1/S (G2/M)
B 1;1/1;2/1;3/1;4 G2 или G2/M
B 2;1/2;2/2;3/2;4 G2 или G2/M
B 3;1 G2 или G2/M
D i; G0/G1/S
D 2;; G0/G1/S
D 3;1/3;2/3;3 G0/G1/S
D 4;1/4;2 G2/M
D 5;; G0/G1/S
D 6;1 G0/G1/S
D 7;1 G0/G1/S
тивный PSTAIRE-мотив связывания с CYC [4, 5]. Киназы класса CDKB, обнаруженные только у растений [6], связываются с CYC при помощи PPTA/TLRE-мотива и работают почти исключительно при переходе G2/M [7]. Представители CDKD и CDKF по структуре и функциям ближе протеинкиназам САК (от CDK-Activating Kinase) [5, 8]. Относительно предполагаемых мест работы CDKE, CDKC и CDKG сведений в литературе пока нет.
В отличие от CDK циклины функционируют практически исключительно в делящихся клетках, а их количество меняется в ходе клеточного цикла. У большинства циклинов имеется последовательность, состоящая из 100 аминокислот (Cyclin box, C-box), которая необходима для связывания с CDK, а также D-box (от Destruction box) — последовательность, определяющая возможность убиквитинирования, которое ведет к быстрой протеолитической деградации CYC [9].
По сравнению с животными, имеющими 13 классов CYC (A-L и T), набор CYC растений менее разнообразен; тем не менее, у Arabidopsis имеется 40 различных CYC [10]. Циклины А и В называют митотическими (таблица), так как пик их экспрессии приходится, соответственно, на S/G2/M и G2/M, где функцию их партнеров вы-
полняют CDKA и CDKB [6]. Поскольку в молекулах CYCA и CYCB имеется D-box, то понятно, что эти циклины подвергаются убиквитин-зависимо-му протеолизу [5, 10].
Главные регуляторы Gl/S-перехода — CYCD, имеющие в N-концевой области LxCx^/Е^мо-тив связывания c белком RBR (от Retinoblastoma-Related) и PEST-мотив, обеспечивающий деградацию по протеасомному пути. Чаще всего партнерами CYCD являются CDKA и CDKB [5, 6, 11].
Для успешного прохождение клеточного цикла необходимо, чтобы комплекс CDK-циклин находился в активном состоянии. Активность комплексов CDK-циклин регулируется группой белков, которые имеют общее название CKI (от CDK Inhibitor). К этой группе относятся ICK (от Interactor/Inhibitor of Cdc2 kinase), которые, по-видимому, активны и при G1/S-, и при G2/M-TO-реходах, хотя наиболее вероятно, что функционирование ICK необходимо для входа в S-фазу. Кроме того, у Arabidopsis имеется семь белков CKI, получившие название KRP (от Kip-Related Protein) [12, 13]. Уточним, что в современной литературе названия ICK и KRP используются как синонимы. Показано, что все KRP способны ингиби-ровать киназную активность комплексов CYCD2-CDKA и CYCD2-CDKB, однако степень ингибирования зависит от того, какой из семи индивидуальных белков KRP задействован. Вполне вероятно, что KRP могут выполнять функцию негативных регуляторов как при G1/S-, так и G2/M-переходах. Однако, принимая во внимание различия в степени ингибирования активности киназ, ассоциированных с CYCD2, можно предположить, что каждый белок KRP имеет свои собственные функции в регуляции активности комплексов CDK-циклин [6, 10, 14].
Регуляторами активности комплексов CDK-циклин могут быть уже упоминавшиеся протеин-киназы САК, которые осуществляют специфическую активацию CDK путем фосфорилирования консервативного остатка Тре160 [15]. Существенная роль САК как активатора комплексов CDK-циклин приурочена к GVS-переходу, но работают ли САК при G2/M-переходе неясно [7, 16].
Известно, что функциональная активность CDK, обеспечивающих G2/M-переход, находится под негативным контролем протеинкиназы WEE, тогда как протеинфосфатаза CDC25 (от Cell Division Control) является позитивным регулятором [17]. У Arabidopsis WEE1 киназа может фос-форилировать Тир15 в CDKA;1, а в CDKD;1, CD-KD;2 и CDKD;3 - Тир23/24 [18]. Эти данные согласуются с наблюдением о регуляции активности CDKA киназой WEE1 во время G2/M-перехода.
Долгое время у растений не удавалось обнаружить полноразмерную фосфатазу, ответственную
Ключевые участники регуляции клеточного цикла и точки их взаимодействия с ауксином, цитокинином, АБК и этиленом.
за активирующее дефосфорилирование CDK на границе 02/Ы-перехода [4, 6]. Тем не менее, у растений Arabidopsis и риса идентифицированы белки, имеющие только каталитический домен, которые in vitro активировали соответствующую киназу [19], но кодирующие эти белки гены не восстанавливали фенотип мутантов Schizosaccha-romycespombe cdc25- [20].
Из рассмотренных данных очевидно, что фос-форилирование и дефосфорилирование белков, согласующееся с биохимическими особенностями G1/S- и 02/Ы-переходов, — один из важнейших механизмов регуляции пролиферации клеток.
ФИТОГОРМОНЫ - РЕГУЛЯТОРЫ ПРОЛИФЕРАЦИИ КЛЕТОК
При помощи традиционных и новейших экспериментальных подходов показано, что вне- и внутриклеточные сигнальные молекулы играют важнейшую роль в регуляции деления клеток. Фитогормоны - внутриклеточные регуляторы, значение которых для пролиферации не вызывает сомнений. Установлено, что фитогормоны способны либо напрямую определять вступление клеток в клеточный цикл, либо работать через разнообразные регуляторные белки.
Влияние ауксинов и цитокининов на пролиферацию клеток
В качестве позитивных регуляторов клеточных делений ауксины и цитокинины изучены наиболее подробно. Обнаружено, что эти фитогормоны однонаправлено влияют на экспрессию многих генов, обслуживающих клеточный цикл [9, 21-24].
Убедительно показано, что накопление ауксина в клетках перицикла управляет образованием латеральных корней путем индукции деления клеток [25]. Установлено, что существенное снижение числа боковых корней у рецессивных мутантов Arabidopsis по гену CYCD4;1 могло быть восстановлено при помощи обработки проростков экзогенным ауксином [26]. Увеличение экспрессии CYCD3;1 приводило к усилению ответа на ауксин и увеличению плотности боковых корней в присутствии 0.1 или 1 мкМ НУК [27], а при аук-син-активируемом образовании латеральных корней возрастала экспрессия не только генов CYCD3;1, CYCD6;1, CYCA2;4, CDKB2;1, CDKB2;2, но и генов, кодирующих белки, вовлеченные в передачу сигнала аукси
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.