ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 4, с. 485-498
== ОБЗОР =
УДК 581.1:576.315.42
СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЙ. ПЛАСТИДНЫЕ СИГНАЛЫ И ИХ РОЛЬ В ЭКСПРЕССИИ ЯДЕРНЫХ ГЕНОВ
© 2007 г. Н. П. Юрина, М. С. Одинцова
Институт биохимии им. АН. Баха Российской академии наук, Москва Поступила в редакцию 28.11.2006 г.
Изложены современные представления о влиянии хлоропластов на экспрессию ядерных генов белков пластид. Рассмотрены основные типы пластидных сигналов. Показано, что роль сигнальных молекул могут выполнять активные формы кислорода, редокс-состояние компонентов фотосинтетической электрон-транспортной цепи (а именно, пластохинонов), редокс-активные молекулы стромы пластид (такие, как тиоредоксин и глютатион), а также интермедиаты биосинтеза тетра-пирролов (Mg-протопорфирин IX и его монометиловый эфир). Подчеркивается, что в растительной клетке существует сложная регуляторная сеть, благодаря функционированию которой достигается координированная экспрессия ядерных и органелльных генов. Пластидные сигналы способствуют адаптации растений к изменяющимся (часто стрессовым) условиям окружающей среды.
Хлоропласты - пластидные сигналы - активные формы кислорода - электрон-транспортная цепь фотосинтеза - пластохиноны - тиоредоксин - сахара - тетрапирролы
ВВЕДЕНИЕ
Хлоропласты - цитоплазматические органел-лы фотосинтезирующих клеток высших растений и водорослей. Они осуществляют фотосинтез и участвуют в других метаболических процессах клетки, таких как биосинтез аминокислот, ЖК, пиримидинов, восстановление сульфатов и нитратов. Эндосимбиотическая гипотеза происхождения хлоропластов, общепринятая в настоящее время, предполагает, что эти органеллы возникли в результате эндосимбиоза одноклеточной свободноживущей фотосинтезирующей бактерии с древней эукариотической клеткой. Древний прокариотический геном, вероятно, содержал всю информацию, необходимую для поддержания независимого фотоавтотрофного образа жизни. В процессе эволюции эндосимбиотиче-ские взаимоотношения, которые дали начало зеленым водорослям и позднее высшим растениям, претерпели огромные изменения: значительно
Сокращения: АЛК - 5-аминолевулиновая кислота; АФК -активные формы кислорода; НФ - норфлуразон; ПротоГХ -протопорфирин IX; ПротогенГХ - протопорфириноген IX; MgПротоIX - Mg-протопорфирин IX; MgПротоIXMe - метиловый эфир Mg-протопорфирина IX; ЭТЦ - электрон-транспортная цепь; DBMIB - 2,5-дибром-3-метил-6-изопро-пилбензохинон; DCMU - 3-(3,4-дихлорфенил)-1,1-диметил-мочевина; ELIP - ранний светоиндуцируемый белок. Адрес для корреспонденции: Юрина Надежда Петровна. 119071 Москва, Ленинский проспект, 33. Институт биохимии РАН. Факс: 007 (495) 954-27-32; электронная почта: NYurina@inbi.ras.ru
уменьшилась кодирующая емкость геномов пластид. Ряд генов, ненужных для эндосимбиотиче-ского существования, были утрачены и огромное число генов было перенесено в ядерный геном клеток хозяина. Геном пластид современных высших растений небольшой (120-200 тыс. пар нук-леотидов (т.п.н.)), он представлен множеством копий идентичных кольцевых молекул ДНК, каждая из которых содержит 100-250 генов, в основном, гены, кодирующие компоненты фотосинтетического аппарата и аппарата транскрипции-трансляции пластид [1-3]. (Для сравнения: геном современных цианобактерий, наиболее вероятных предков пластид, содержит от 3000 до >7000 генов [4].)
Более 3000 полипептидов, обнаруженных в хлоропластах дифференцированных фотосинте-тически активных пластид, транскрибируется с ядерных генов и пост-трансляционно поступает в органеллы [5, 6]. Поэтому образование функционально активных хлоропластов зависит от координированной экспрессии ядерных и хлоропласт-ных генов, продукты которых функционируют совместно. Координация экспрессии генов хлоро-пластных белков, кодируемых двумя клеточными геномами, достигается путем обмена информацией между ними, в котором участвуют специфические регуляторные сигналы, идущие как от ядра к пластидам, так и от пластид к ядру. Ключевая роль в этих процессах принадлежит клеточному ядру. В ядре локализована большая часть генов, продукты которых участвуют в регуляции экспрессии хлоропластных генов [7, 8].
Кроме такого ядерного, или "антероградно-го", контроля в эволюции развился механизм пла-стидного, или "ретроградного", контроля, с помощью которого хлоропласты в зависимости от своего функционального состояния и стадии развития могут регулировать экспрессию ядерных генов, кодирующих белки, локализованные в пластидах. Таким образом, путем внутриклеточных взаимодействий между органеллами устанавливается надлежащий баланс в экспрессии генов. Сигналы, посылаемые ядром в хлоропласты, изучены значительно лучше, чем сигналы, генерируемые хлоропластами.
Первое доказательство существования пла-стидных сигналов, контролирующих экспрессию ядерных генов белков хлоропластов, было получено около 30 лет назад при исследовании мутантов albostrians и Saskatoon ячменя (Hordeum vulgare L., сорт Haisa) [9, 10]. Белые участки на листьях albostrians содержат недифференцированные маленькие пластиды с дефектными рибосомами. В таких пластидах обнаруживаются лишь следовые количества хлорофилла, в результате чего они фо-тосинтетически неактивны. Было обнаружено, что активность фосфорибулокиназы (КФ 2.7.1.19) и D-глицеральдегид-З-фосфат : НАДФ+-оксидо-редуктазы (фосфорилирующей) (КФ 1.2.1.13) -двух кодируемых ядром ферментов, локализованных в пластидах, сильно снижается в белых секторах листьев albostrians [9]; снижается также экспрессия некоторых ядерных генов, кодирующих белки; локализованные в хлоропластах, включая семейство генов Lhc (светособирающий хлорофилл a/b-связывающий белок), гены малой субъединицы РБФК и ферментов цикла Кальвина [11]. Было установлено, что пониженный уровень кодируемых ядром транскриптов генов фотосинтеза не является результатом повреждения фито-хромной системы регуляции. На этом основании было высказано предположение, что для световой индукции экспрессии указанных генов необходим сигнал, поступающий от развивающихся пластид [12].
Последующие исследования мутантных растений с нарушенным биосинтезом каротиноидов (приводящим к фотовыцветанию пластид) показали, что в отсутствие функционально активных хлоропластов значительно снижается экспрессия некоторых кодируемых ядром генов фотосинтеза [13-15]. Аналогичные результаты были получены при ингибировании биосинтеза каротиноидов выращиванием проростков в присутствии нор-флуразона (НФ) - ингибитора фитоиндесатура-зы, участвующей в биосинтезе каротиноидов [16]. Кроме фотовыцветания, остановка развития хлоропластов путем ингибирования экспрессии пла-стидных генов (тагетитоксином, налидиксовой кислотой) [17, 18] также ведет к ингибированию экспрессии ядерных генов.
Первоначально предполагали наличие одного "пластидного сигнала" или "пластидного фактора" [15, 16, 19], однако позднее было установлено, что в клетке функционирует множество сигнальных путей, координирующих экспрессию ядерных генов в зависимости от потребностей этих клеточных органелл [20].
СИНТЕЗ БЕЛКА В ПЛАСТИДАХ НЕОБХОДИМ ДЛЯ ЭКСПРЕССИИ РЯДА ЯДЕРНЫХ ГЕНОВ БЕЛКОВ ХЛОРОПЛАСТОВ
Была обнаружена корреляция между синтезом белка в пластидах и экспрессией ядерных генов белков пластид. В листьях мутанта ячменя albostrians с дефектными рибосомами хлоропластов обнаружено существенно более низкое содержание нескольких кодируемых ядром белков, поступающих в пластиды (ферменты цикла Кальвина) [9], а также белков, функционально связанных с пластидами (нитратредуктаза) [21] или перокси-сомами (гликолатоксидаза, каталаза, гидроксипи-руватредуктаза) [22]. В присутствии хлорамфени-кола, ингибитора трансляции в хлоропластах, в проростках горчицы (Sinapis alba L.) снижалась активность ядерных генов ферментов, локализованных в хлоропластах. Активность индуцируемых фитохромом цитоплазматических ферментов, подобных халконсинтазе, не изменялась, а в некоторых случаях даже увеличивалась при такой обработке [14]. У гороха (Pisum sativum L.) хлорам-феникол ингибирует индуцируемую красным и синим светом экспрессию гена, кодирующего ELIP (ранний светоиндуцируемый белок) [23].
Обработка растений такими специфическими ингибиторами трансляции в хлоропластах, как линкомицин, эритромицин или стрептомицин, также приводила к снижению уровня экспрессии кодируемых ядром генов белков фотосинтеза [24]. Было обнаружено, что ингибиторы синтеза белка влияют на экспрессию ядерных генов только на ранних стадиях развития проростков, в первые 2-3 дня прорастания. Это позволило предположить, что продукты синтеза белка, образующиеся на ранних стадиях прорастания, могут служить пластидным сигналом [18]. Исследование gun-мутантов ячменя (мутанты с нарушенной передачей сигналов от пластид к ядру), у которых после фотоокислительного повреждения частично сохраняется экспрессия генов Lhcb и Rbcs, показало, что у одного мутанта - мутанта gun1, наблюдается меньшее (по сравнению с другими gun-мутантами) ингибирующее действие подавления синтеза белка в пластидах на экспрессию ядерных генов [25]. На этом основании был сделан вывод о том, что gun1 кодирует компонент сигнального пути, на который действуют ингибиторы пла-стидного синтеза белка. Предполагают, что инги-
Рис. 1. Схематическое изображение сигнальных путей, с помощью которых пластиды контролируют экспрессию ядерных генов.
D, Н и I - субъединицы Mg-xелатазы. Передача пластидного сигнала может проходить с участием Н-субъединицы Mg-хелатазы (модель 1) и/или MgПротоIX/MgПротоIXMe (модель 2). Активные формы кислорода - синглетный кислород (1О2) и перекись водорода (Н2О2), относятся к разным путям передачи сигнала [20].
бирование синтеза белка в пластидах не позволяет пластидам достичь той стадии развития, когда начинает функционировать сигнальный путь пластиды —► ядро [11]. Использование стратегии нокаута генов, индуцированного рекомбинацией, позволило получить химерные растения с клеточными линиями, хлоропласты которых не имеют гена aadA, придающего устойчивость к спек-тиномицину, а также клеточные линии с геном aadA. В присутствии спектиномицина трансляци
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.