Пролиферация клеток растений и ее регуляторы

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 ретуляцию 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, эндоредупликация 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.

Механизмы регуляции клеточного цикла

У растений, как у всех эукариот, процесс клеточного деления включает фазы репликации и сегрегации ДНК: S-фаза (S) и митоз (М). Между ними имеются два интервала G1 и G2: G1 - промежуток между М- и S-фазами, a G2 - между S- и М-фазами. Для того чтобы каждая дочерняя клетка получила одинаковый набор наследственного материала, необходимо контролировать G1/S- и С2/М-нереходы. Основными регуляторами, обеспечивающими эти переходы у растений, как и у других организмов, являются Сер/Тре циклин-зависимые протеинкиназы (CDK), которые активируются в результате связывания с регуляторными белками цик- линами (CYC) (табл. 1).

У Arabidopsis CDK разделяют на семь классов (от А до G) на основании сходства последовательностей доменов связывания с CYC. У всех эукариот CDKA - главные регуляторы G1/S- и G2/M- переходов (табл. 1, рис. 1), имеющие консервативный PSTAIRE- мотив связывания с CYC.

Киназы класса CDKB, обнаруженные только у растений, связываются с CYC при помощи PPTA/TLRE-мотива и работают почти исключительно при переходе G2/M. Представители CDKD и CDKF но структуре и функциям ближе иротеинкиназам САК.

В отличие от CDK, циклины функционируют практически исключительно в делящихся клетках, а их количество меняется в ходе клеточного цикла. У большинства циклинов имеются стоаминокислотная последовательность С-box (от Cyclin box), необходимая для связывания с CDK, а также последовательность D-box (от Destruction box), определяющая возможность убиквитинирования, ведущего к быстрой протеолитической деградации CYC.

Таблица 1

Циклин-зависимые протсинкиназы (CDK) Arabidopsis и циклимы, регулирующие клеточный цикл (Новикова и др., 2013)

По сравнению с животными, имеющими 13 классов CYC (A-L и Т), набор CYC растений менее разнообразен; тем не менее, у Arabidopsis имеется 40 различных CYC.

Циклины А и В называют митотическими (табл. 1), так как ник их экспрессии приходится, соответственно, на S/G2/M и G2/M, где функцию их партнеров выполняют CDKA и CDKB. Поскольку в молекулах CYCA и CYCB имеется D-box, то понятно, что эти циклины подвергаются убиквигин-зависимому протеолизу (§ 3.5, рис. 71).

Главные регуляторы Gl/S-перехода - CYCD, имеющие в N- концевой области LxCx(D/E)-mothb связывания с белком RBR и PEST-мотив, обеспечивающий деградацию по протеасомному пути. Чаще всего партнерами CYCD являются CDKA и CDKB.

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. К этой ipyniie относятся ICK, которые активны и при G1/S-, и при С2/М-нереходах, хотя наиболее вероятно, что функционирование ICK необходимо для входа в S-фазу. Кроме того, у Arabidopsis имеется семь белков CKI, получивших название KRP (синоним 1СК). Показано, что все KRP способны ингибировать киназную активность комплекса 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 С2/М-переходах. Однако, принимая во внимание различия в степени ингибирования активности киназ, ассоциированных с CYCD2, можно предположить, что каждый белок KRP имеет' собственные функции в регуляции активности комплексов CDK-циклин.

Регуляторами активности комплексов CDK-циклин могут быть нротеинкиназы САК, которые осуществляют специфическую активацию CDK путем фосфорилирования консервативного остатка Тре160. Существенная роль САК как активатора комплексов CDK- циклин приурочена к Gl/S-переходу.

Известно, что функциональная активность CDK, обеспечивающих С2/М-иереход, находится под негативным контролем проте- инкиназы WEE, тогда как протеинфосфагаза CDC25 является позитивным регулятором. У Arabidopsis WEE1 киназа может фосфо- рилировагь Тир 15 в CDKA;1, а в CDKD;1, CDKD;2 и CDKD;3 - Тир23/24. Эти данные согласуются с наблюдением о регуляции активности CDKA киназой WEE1 во время С2/М-перехода.

Из рассмотренных данных очевидно, что фосфорилирование и дефосфорилирование белков, согласующиеся с биохимическими особенностями С1/8- и С2/М-переходов, - один из важнейших механизмов регуляции пролиферации клеток.

Рис. 1. Ключевые участники регуляции клеточного цикла и точки их взаимодействия с фитогормонами (Новикова и др., 2013) (Гормональную регуляцию см. в части 2 пособия)