ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 4, с. 459-473
ЛЕКЦИИ ^^^^^^^^^^^^^^^^ В ЖУРНАЛЕ
УДК 581.1
РЕГУЛЯТОРНАЯ РОЛЬ ОКСИДА АЗОТА У РАСТЕНИЙ
© 2015 г. А. С. Мамаева*, А. А. Фоменков*, А. В. Носов*, И. Е. Мошков*, Л. А. Дж. Мур**,
М. А. Холл**, Г. В. Новикова*
*Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва **Институт биологии, экологии и сельского хозяйства, Университет Уэльса, Абериствис, Великобритания Поступила в редакцию 14.01.2015 г.
За последние годы получены результаты, позволяющие утверждать, что оксид азота (N0) — внутриклеточная сигнальная молекула, при помощи которой регулируются физиологические процессы на всех этапах жизненного цикла растений. Между тем, некоторые крайне важные аспекты биологии N0 далеки от понимания. Так, существуют различные точки зрения в вопросе образования и утилизации N0 у растений. Не до конца изучены механизмы восприятия и пути передачи сигнала N0, а также пока нет сведений о том, как обеспечивается специфичность, необходимая для координированного включения ответов на N0. Ответы на сформулированные вопросы представляется целесообразным искать, основываясь на знаниях, полученных при изучении особенностей функционирования N0 у животных. Такой сравнительный анализ позволит выявить аналогии и подчеркнуть различия в современном понимании роли N0 у растений. Рассмотрению этих аспектов посвящена данная лекция.
Ключевые слова: растения — оксид азота — модификация белков — передача сигнала — стресс — фито-гормоны
DOI: 10.7868/S0015330315040132
ВВЕДЕНИЕ
Знания последних лет, безусловно, указывают, что оксид азота (NO) — биологически активная молекула, участвующая в регуляции физиологических процессов у представителей разных филогенетических групп. Число исследований биологической роли NO значительно возросло, начиная с конца 1980-х, когда впервые появились сведения о действии NO как вторичного внутриклеточного регулятора сердечнососудистой, нервной и иммунной систем млекопитающих [1]. Эти данные стали основанием для предположения о значимости NO в качестве сигнальной молекулы в клетках живот-
Сокращения: CuAO — Cu-аминооксидаза; cPTIO — 2-(4-карбоксифенил)-4,4,5,5-тетраметилимидазолин-1-оксил-3-оксид; СОХ — цитохром с-оксидаза; DAF — диаминофлуо-ресцеин; DCF — дихлорофлуоресцеин; GSNO — 5-нитро-зоглутатион; GSNOR — 5-нитрозоглутатионредуктаза; Ni-NOR — нитрит^О-редуктаза; NOS — NO-синтаза; NR — нитратредуктаза; nsHb — несимбиотические гемогло-бины; SNP — нитропруссид натрия; XOR — ксантинокси-доредуктаза; рГЦ — растворимая гуанилатциклаза. Адрес для корреспонденции: Новикова Галина Викторовна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: 07 (499) 977-80-18; электронная почта: gv.novikova@mail.ru
ных. Первые сведения о возможной сигнальной роли N0 у растений появились в 1998 г. [2, 3].
С этого времени выполнено большое количество работ, результаты которых позволяют утверждать, что N0 — внутриклеточная сигнальная молекула, при помощи которой регулируются физиологические процессы на всех этапах жизненного цикла растений. Оксид азота регулирует прорастание семян, рост боковых корней и корневых волосков, цветение и созревание плодов, а также участвует в формировании системы защиты от стрессоров различной природы. Хотя за последние 15 лет достигнуты впечатляющие успехи в изучении N0 у растений, некоторые крайне важные аспекты биологии N0 далеки от понимания. Так, существуют различные точки зрения в вопросе образования N0 у растений, в том числе о том, когда и где образуется N0. Решение этого вопроса в большой степени зависит от того, насколько корректно определено содержание N0 в клетках. Сейчас применяется несколько способов определения N0, однако их точность часто вызывает сомнение, особенно в связи с наличием тканевой специфичности синтеза N0. Не до конца изучены механизмы восприятия и пути
L-Арг
NOS
ФДЭ ГМФ
цГМФ-зависимая передача сигнала
Рис. 1. Канонический путь передачи сигнала NO в клетках животных.
NOS — NO-синтаза; рГЦ — растворимая гуанилат-циклаза; ФДЭ — фосфодиэстераза.
передачи сигнала N0, а также пока нет сведений о том, как обеспечивается специфичность, необходимая для координированного включения ответов на N0. На настоящем этапе исследований передачи сигналов N0 у растений имеющиеся схемы включают определенную долю спекуляций. Однако такие аспекты, как строгий контроль биосинтеза N0 и его утилизации, вероятно, становятся едва ли не ключевыми для объяснения способности N0 отвечать за регуляцию у растений самых разнообразных физиологических программ.
Нам представляется целесообразным искать ответы на сформулированные вопросы, основываясь на знаниях, полученных при изучении особенностей функционирования N0 у животных. Такой сравнительный анализ позволит выявить аналогии и подчеркнуть различия в современном понимании роли N0 у растений.
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ БИОЛОГИИ ОКСИДА АЗОТА У ЖИВОТНЫХ
Первое упоминание о биологической значимости N0 относится еще к середине XIX столетия, когда впервые был синтезирован нитроглицерин, который, как показали дальнейшие исследования, обладал сосудорасширяющими свойствами (см. обзор [4]). Регулярные исследования N0 у животных начались в середине 1970-х. Показано, что азид натрия, нитроглицерин и газообразный N0 могут активировать гуанилатциклазу с образованием цГМФ [5]. Позднее было установлено, что в ответ на обработку ацетилхолином эндотелиаль-
ные клетки выделяли так называемый эндотели-альный фактор релаксации". Несколько лет спустя две группы исследователей независимо друг от друга выяснили, что эндотелиальным фактором релаксации является NO, который синтезируется из L-Арг [6—8]. С тех пор возникновение многих заболеваний, в том числе человека, стали связывать с NO, и в настоящее время трудно найти такое заболевание, которое бы не ассоциировалось с нарушением гомеостаза NO. Вероятно, вследствие этого в 1992 г. журнал "Science" назвал NO молекулой года, а в 1998 г. R. Furchgott, L. Ignarro и F. Murad получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие роли NO как сигнальной молекулы в регуляции сердечнососудистой системы.
Оксид азота синтезируется энзиматически различными клетками и тканями. У млекопитающих в результате дезаминирования L-Арг синта-зой оксида азота (NO-синтаза или NOS) образуются цитруллин и NO (рис. 1). У животных выделяют три изоформы NOS: нейрональные NOS (nNOS), эндотелиальные NOS (eNOS) и индуци-бельные NOS (iNOS) [9]. Все NOS содержат N-концевой оксигеназный и С-концевой редук-тазный домены. Оксигеназный домен включает цитохром Р450-подобный гем-связывающий центр, а также сайт связывания тетрагидробио-птерина. В составе редуктазного домена присутствуют сайты связывания НАДФ-Н, ФАД и ФМН. Все NOS активны в виде гомодимеров, которые окисляют L-Арг в присутствии НАДФН и кислорода. Активаторами этой реакции могут быть катионы кальция (для nNOS и eNOS), тогда как iNOS конститутивно связывает катионы кальция и кальмодулин.
Кроме NOS ткани млекопитающих могут производить NO посредством восстановления NO-комплексом III или цитохром с-оксидазой (комплексом IV) электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий или при помощи ксантиноксидоре-дуктазы.
Оксид азота, образовавшийся в результате работы NOS, способен диффундировать от места синтеза и взаимодействовать со своей мишенью — растворимой гуанилатциклазой (рГЦ), которая превращает ГТФ в цГМФ и пирофосфат. Чувствительность рГЦ к NO лежит в диапазоне наномо-лярных концентраций, указывая, что рГЦ — первичная мишень NO [10]. Изоформы рГЦ представляют собой гетеродимеры, состоящие из а (а1 или а2) и ß (ß1) субъединиц; каждая субъединица содержит гем и каталитические домены, отвечающие за синтез цГМФ. Показано, что связывание NO с катионами железа в активном центре рГЦ, ведет к ее существенной активации (почти на два порядка) и росту уровня цГМФ, который, будучи вторич-
ным посредником, вовлекается в различные сигнальные процессы [11].
Образовавшийся цГМФ регулирует работу цГМФ-зависимых протеинкиназ, которые фос-форилируют свои белки-субстраты. Поскольку цГМФ-зависимые протеинкиназы могут транс-лоцироваться в ядро, то предполагается, что они могут участвовать в активации экспрессии генов [12]. Кроме того, цГМФ может регулировать работу циклонуклеотидзависимых ионных каналов, т.е. влиять на поддержание в клетке баланса катионов калия и кальция. Передача сигнала N0 с участием цГМФ терминируется посредством функционирования фосфодиэстераз цГМФ (ФДЭ), которые у млекопитающих составляют многочисленное семейство белков. Таким образом, передача сигнала N0 с участием рГЦ (рис. 1), генерирующей цГМФ, который в свою очередь активирует цГМФ-зави-симые протеинкиназы, представляет собой канонический путь, регулирующий работу сердечнососудистой и нервной систем, контролирующий релаксацию гладкой мускулатуры, передачу нервного импульса, а также агрегацию тромбоцитов.
В последнее время накопилось много доказательств существенной роли N0 у растений. Поскольку животные и растения различаются по организации их тканей и органов, неудивительно, что у растений имеются как сходства, так и особенности биохимии N0. Вместе с тем, следует подчеркнуть, что крайне опрометчиво применять парадигмы, пригодные для клеток животных, при исследовании действия N0 на растения. Далее мы покажем, чем отличаются механизмы синтеза, восприятия и передачи сигнала N0 у растений и животных.
ОБРАЗОВАНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ ОКСИДА АЗОТА В КЛЕТКАХ РАСТЕНИЙ
Как сказано выше, у животных NO образуется из L-Арг при помощи NOS. В аннотированных геномах растений, в том числе Arabidopsis thaliana, отсутствуют гены, гомологичные генам NOS животных [13]. Среди фотосинтезирующих организмов только у одноклеточной зеленой водоросли Ostreococcus tauri обнаружена функционально активная NOS, которая на 45% гомологична NOS человека [14].
До идентификации NOS у O. tauri поиск NOS-зависимого синтеза NO у растений не привел к получению сколько-нибудь значимых результатов. Так, в 2003 г. появилась ра
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.