ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИИ, 2007, том 54, № б, с. 932-944
ЛЕКЦИИ В ЖУРНАЛЕ
УДК 581.1
СУПЕРСЕМЕИСТВО МОНОМЕРНЫХ ГТФ-СВЯЗЫВАЮЩИХ БЕЛКОВ РАСТЕНИЙ. 1. РОЛЬ БЕЛКОВ КОР-СЕМЕЙСТВА В РЕГУЛЯЦИИ
РОСТА И РАЗВИТИЯ
© 2007 г. Г. В. Новикова, И. Е. Мошков
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 01.03.2007 г.
Регуляция роста, дифференцировки и развития растений рассматриваются в связи с участием мономерных ГТФ-связывающих белков (мв-белков) в путях передачи вне- и внутриклеточных сигналов. Особое внимание уделено мв-белкам Яор - уникальным представителям малых ГТФаз клеток эука-риот, которые проявляют активность на различных стадиях развития растительного организма: от роста пыльцевых трубок и корневых волосков до ответов на биотические и абиотические стрессы.
Ключевые слова: Растения - мономерные ГТФ-связывающие белки - рост и развитие - биотические и абиотические стрессы - трансдукция сигналов.
ВВЕДЕНИЕ
Регуляторные ГТФ-связывающие белки (в-белки) составляют многочисленную группу белков, которые связывают и гидролизуют ГТФ. При помощи в-белков у эукариот осуществляются важнейшие для жизни клеток процессы: синтез белка, транспорт белков и везикул, пролиферация, диф-ференцировка, а также передача вне- и внутриклеточных сигналов. На основании величины молекулярной массы и субъединичного состава все в-бел-ки разделяют на две группы: гетеротримерные, состоящие из трех различных субъединиц, и мономерные. В клетках животных и дрожжей основная функция гетеротримерных в-белков связана с их участием в передаче внутриклеточных сигналов,
Сокращения: АФК - активные формы кислорода; ADF -фактор деполимеризации актина; CA - конститутивно активный мутант; CRIB-мотив - от Cdc42/Rac interactive binding; DH-домены - от Dbl-homology ; DN - доминантный негативный мутант; F-актин - филаментный актин; GAP - от GT-Pase-activating protein; GDI - от guanine nucleotide dissociation inhibitor; GEP - от guanine nucleotide exchange protein; GFP -от green fluorescent protein; G-белки - ГТФ-связывающие белки; мG-белки - мономерные ГТФ-связывающие белки; Ins(1,4,5)^3 - инозитол 1,4,5-трифосфат; KAPP - от kinase-associated protein phosphatase; mTalin - белок мыши талин; PI3K - фосфатидилинозитол-3-киназа; PKB - протеинки-наза B; PLC - фосфолипаза С; PLD1 - фосфолипаза D1; Pt-d[ns(3,4,5)^3 - фосфатидилинозитол-(3,4,5)-трифосфат; Pt-d[ns(4,5)^2 - фосфатидилинозитол-(4,5)-дифосфат; PtdInsP -фосфатидилинозитол-монофосфат; RalBPl - от Ral-bind-ing protein 1; RalGDS - от Ral GDP dissociation stimulator; RIC белки - от Rop-interacting CRIB motif-containing proteins; RLK - от receptor-like protein kinase; Rop - от Rho of plants.
Адрес для корреспонденции: Новикова Галина Викторовна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18, электронная почта: gv_novikova@mail15.com
однако это лишь с определенной осторожностью можно отнести к растениям, поскольку в исследованных растительных геномах имеется один-два гена, кодирующих каждую из субъединиц гетеротримерных G-белков. Пока убедительно не показано, что гетеротримерные G-белки растений функционируют при помощи механизмов, аналогичных таковым в клетках животных и дрожжей.
Напротив, в секвенированных геномах растений обнаруживается большое число генов, кодирующих мономерные G-белки (мG-белки). Так, у Arabi-dopsis thaliana имеется 93 гена мG-белков, которые гомологичны представителям всех семейств мG-белков других эукариот. Именно к мG-белкам, которые часто называют Ras-белками, Ras-подобными белками или малыми ГТФазами, нам хотелось бы привлечь внимание читателей.
Мономерные G-белки образуют Ras-суперсе-мейство регуляторных белков с мол. м. 20-30 кД. Эти белки получили свое название от впервые обнаруженных белков H-Ras и R-Ras, ассоциированных с саркомой крыс (от rat sarcoma). Далее было обнаружено, что с изменениями Ras-генов связано ~30% опухолей человека, поскольку мутантные формы Ras стимулируют пролиферацию и трансформацию клеток, а также вызывают дифферен-цировку. Масштабные исследования регуляторных функций белков, кодируемых Ras-генами, привели к пониманию, что эти функции сходны у разных эукариот от дрожжей до человека. К настоящему времени в клетках эукариот идентифицировано более 100 мG-белков, которые на основании их аминокислотных последовательностей и функций распределены в семейства Ras, Rho, Rab, Sar1/Arf и Ran. Белки Ras-семейства участвуют в сигнальной трансдук-
(a)
Switch I Switch II
N^B I ■■ E ■■ II
GXXXXGK DXXG
(6)
III ^^Я C
NKXD EXSAX
(в)
H-Ras, N-Ras - CAAX
Rapl - CAAL/F
Rab3A - CXC
Rabí - CC
Рис. 1. Структура мономерных G-бeлкoв.
а - консервативные домены, ответственные за связывание ГТФ ([-IV) и ГТФазную активность (E); б - структура кристалла H-Ras; в - аминокислотные последовательности сайтов пост-трансляционной модификации. Все аминокислоты даны в однобуквенном коде.
ции, модулируя экспрессию генов, что ведет к изменениям клеточного роста и дифференцировки; представители Rho-семейсгва (Rho/Rac/Cdc42) вовлечены в регуляцию организации цитоскелета; белки семейств Rab и Sarl/Arf участвуют во внутриклеточном везикулярном транспорте, а белки Ran-семейства - в организации микротрубочек во время митоза. Несмотря на различия функций мО-белков, на уровне первичной структуры представители Ras-суперсемейства характеризуются наличием высоко консервативных участков: ГТФ/ГДФ-связывающих доменов и доменов, ответственных за взаимодействие с эффекторами.
Прежде, чем рассмотреть сведения о мО-белках растений, повторим, что только геномом Arabidop-sis кодируются 93 мО-белка [1], что резко контрастирует с количеством гетеротримерных О-бел-ков. Согласно данным Assmann [2], в геноме Arabi-dopsis имеется лишь один ген канонического гетеротримерного О-белка по сравнению с 20 генами в клетках животных. В последние годы интерес к мО-белкам существенно вырос, поскольку число и разнообразие этих белков указывают на их функциональные различия: от регуляции везикулярного транспорта до участия в передаче гормональных сигналов. Так как информация о свойствах мО-белков растений основана на их гомологии с мО-белками нерастительного происхождения, рассмотрим сначала организацию и функционирование мО-белков в клетках животных и дрожжей.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА МОНОМЕРНЫХ G-БЕЛКОВ
Структура мономерных G-белков
Аминокислотные последовательности белков Ras-суперсемейства у разных эукариотических объектов сходны на 30-50%. Внутри Ras-семей-ства белки проявляют 50-55% идентичности, тогда как Rab и Rho/Rac/Cdc42 имеют примерно 30% сходства с Ras. Все мG-белки имеют консервативные аминокислотные последовательности, которые отвечают за специфическое взаимодействие с ГТФ/ГДФ, за ГТФазную активность, а также за связывание с эффекторами (рис. 1). В С-концевой области мG-белков Ras, Rho/Rac/Cdc42 содержатся последовательности, по которым происходят их пост-трансляционные модификации, а именно: пренилирование (фарнезилирование, геранилге-ранилирование, пальмитоилирование), карбокси-метилирование. Заметим, что Sari- и Ran-белки не содержат такой специфической последовательности для пост-трансляционной модификации.
Кристаллографические исследования и ЯМР-анализ ряда мG-белков показали, что все они имеют сходную структуру. Каталитическому домену соответствуют аминокислоты 1-164, ГТФ-связыва-ющий сайт образован аминокислотами 12-18 (I), 57-63 (II), 116-119 (III) и 144-147 (IV) (рис. 1а и 16). При сравнении структуры белка Ras в ГТФ-связан-ной и ГДФ-связанной формах были обнаружены два высоко подвижных участка, окружающих
Сигнал
Эффектор
Информация
Рис. 2. Схема регуляции активности мономерных G-белков.
у-фосфат ГТФ, так называемые "switch I" (аминокислоты 30-38) и "switch II" (аминокислоты 60-76). В N-концевой части располагается участок связывания эффектора, который составлен аминокислотами 26-45. Этот участок ответственен за взаимодействие с протеинкиназами, например, МАП3-ки-назой Raf, а также с белками GAP (от GTPase-activating protein), которые конкурируют с протеинкиназами за связывание с Ras. Последние стабилизируют активную (ГТФ-связанную) конформацию мG-белка.
Регуляция активности мономерных О-белков
Мономерные G-бeлки существуют в клетках в двух взаимопревращающихся формах: ГДФ-свя-занной (неактивной) и ГТФ-связанной (активной) (рис. 2). Поступление сигнала о связанном рецептором лиганде стимулирует диссоциацию ГДФ, который замещается на ГТФ. Это ведет к изменению конформации белка, что делает возможным взаимодействие с эффектором. В результате такого взаимодействия изменяется функциональная активность эффектора, а ГТФ-связанная форма мG-бeлка инактивируется, переходя в ГДФ-связанную, за счет проявления мG-бeлками ГТФазной активности. Результатом такого перехода является освобождение молекулы эффектора. Так происходит один цикл активации/инактивации мG-бeлка. Благодаря способности находиться в двух функционально различных состояниях, мG-бeлки выполняют роль молекулярных реле, которые обеспечивают перенос сигналов от рецепторов к эффекторам.
Из сказанного следует, что лимитирующим событием при ГДФ/ГТФ обмене является диссоциация связанного с белком ГДФ, которая происходит
чрезвычайно медленно. Для увеличения скорости ГДФ/ГТФ обмена в клетке имеются специализированные белки GEP (от guanine nucleotide exchange protein), осуществляющие эту обменную реакцию. Большинство GEP специфичны для индивидуальных белков или отдельных семейств ïG-белков, тогда как другие - менее специфичны. Отдельно следует сказать о реакции обмена ГДФ/ГТФ для семейства Rab-белков, у которых обмен нуклеотидов регулируется при помощи дополнительного типа регуляторов - GDI (от guanine nucleotide dissociation inhibitor). Белки этого типа "запирают" белки Rab-семейства в ГДФ-связанной (неактивной) форме, а для прохождения обмена нуклеотидов при помощи GEP сначала должен диссоциировать GDI. Таким образом, активация мG-белков осуществляется в результате работы как позитивных (GEP), так и негативных (GDI) регуляторов. ГТФазная актив
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.