Регуляторные рецепторы синего света в растении

Растения имеют три типа регуляторных рецепторов СС: криптохромы, фототропины и белки ZTL.

Криптохромы - 70-80 кДа флавонротеины растений (см. рис. 49, 50), которые по структуре сходны с бактериальными ДНК- фоголиазами, но не имеют ее активности, связанной с репарацией сшивок, возникающих в ДНК вследствие облучения УФ. Криптохромы действуют как рецепторы СС/УФ-А, имеющие два пика - в ультрафиолетовой области (320-360 нм) и области СС (420 нм), захватывая зеленую область спектра (рис. 55, А).

Поглощение в ультрафиолетовой области солнечного спектра обеспечивается за счет хромофора - нтерина, изменяющего свой спектр в зависимости от степени восстановленное™ молекулы (рис. 56). У А. thaliana обнаружены три криптохромных гена - CRY1, CRY2 и CRY3 (см. рис. 50), у томата - три: CRYla, CRYlb и CRY2. У мха и папоротника их два и пять CRY1-5 соответственно.

У большинства растительных криптохромов (см. рис. 49, 50) выделяют два домена: N-терминальный домен, гомологичный домену ДНК фотолиазе (PHR), и С-терминалъный домен, отличный от С-терминального домена фоголиазы. Домен PHR кригггохрома нековалентно связывает хромофоры (птерин или диазофлавин и ФАД), в то время как область DAS С-терминального участка необходима для ядерно-цитоплазматического перемещения фоторецептора и его взаимодействий с белками. В отличие от CRY1 и CRY2, CRY3 имеет участок на N-конце (аминокислоты 1-40), который требуется для импорта CRY3 в хлоропласты и митохондрии.

Спектры поглощения фоторецепторов синего света

Рис. 55. Спектры поглощения фоторецепторов синего света:

А - спектр поглощения белка CRY 1,5- спектр поглощения N-терминальной области белка PHOT 2 (модифицировано по Malhotra и др., 1995; Christie et al., 1998; Salomon et al., 2000)

Спектры поглощения 6,7-диметилптерина

Рис. 56. Спектры поглощения 6,7-диметилптерина: а - окисленная форма (215, 230, 275 и 350 нм), 6 - дегидроформа (частично восстановленная при 225, 280 и 320 нм), «-тетрагидроформа (полностью восстановленная при 215 и 295 нм) (Fuller et al., 1971)

CRY1 и CRY2 A. thaliana являются ядерными белками. CRY2 конститутивно ядерный белок, независимо от воздействия света.

Он подвергается быстрому разрушению, вызванному СС, за счет функционирования аппарата белкового разрушения. CRY 1 импортируется в ядро в темноте и экспортируется или остается в цитоплазме на свету. Среди пяти крипгохромов Adiantum, два (CRY3 и CRY4) являются ядерными белками. CRY3 импортируется в ядро в темноте или на КС и содержится в цитоплазме на СС, в то время как CRY4 накапливается преимущественно в ядре.

Физиологические функции CRY1 и CRY2 в растении перекрываются, что обусловлено некоторой взаимозаменяемостью N- и С- герминальных доменов. Оба криптохрома подавляют удлинение гипокотилей (рис. 57, 6) и индуцируют синтез ангоцианов (рис. 57, а) на СС, при этом CRY1 функционирует при более высокой интенсивности света (1-100 мкМ фотонов/м2с), чем CRY2 (0,6- 5,5 мкМ фотонов/м:с). Для крипгохромов отмечено выполнение «индивидуальных» функций. CRY1 регулирует внутренние циркадные ритмы и отвечает за индукцию некоторых генов, вовлеченных в биосинтез флавоноидов, CRY2 контролирует растяжение семядолей и время цветения растений. Функции CRY3 мало изучены.

Аккумуляция антоцианов (а, изменение абсорбции) и длина гипокотиля (б, см) у трансгенных и мутантных проростков A. thaliana на синем свету

Рис. 57. Аккумуляция антоцианов (а, изменение абсорбции) и длина гипокотиля (б, см) у трансгенных и мутантных проростков A. thaliana на синем свету: CRY 1 ОЕ - трансгенный фенотип со сверхэкспрессией гена, кодирующего C'RY 1, WT - дикий тип, cry I - мутант (Ahmad et al., 1998)

Изучены фогоморфологические реакции в гаметофите папоротника Adiantum capillus-veneris. Выделено несколько генов, которые определяют как криптохромы 1, 2, 3, 4, и 5 (CRY1-5) Adiantum. N-терминальные домены этих пяти генов показали гомологию криптохрому 1 (CRY1) A. thaliana. Однако эти белки различаются друг от друга С-терминальными доменами.

С помощью ПЦР анализа показано, что CRY1, CRY2 и CRY3 имеют подобные профили экспрессии. Транскрипты этих генов накапливаются после набухания спор в темноте. Для CRY4 и CRY5 показаны уникальные светорегулируемые профили экспрессии. Уровень экспрессии CRY4 снижается на свету в процессе жизненного цикла Adiantum. Уровень экспрессии кДНК уменьшается приблизительно в 100 раз при перенесении спор из темноты на КС, который вызвает прорастание споры. Экспрессия CRY5 индуцируется короткой световой экспозицией и продолжала увеличиваться в течение 12 ч с последующим уменьшением в течение 12 ч, после чего стабилизируется. Значительное изменение в уровне экспрессии CRY4 и CRY5 происходит перед прорастанием споры, считают, что транскрипты этих двух генов могут оказывать действие в процессе светозависимого прорастания Adiantum.

Экспрессия кригггохромных генов Adiantum capillys-veneris меняется в зависимости от стадии онтогенеза. Например, экспрессия CRY1, CRY2 и CRY3 осуществляется в ходе всего жизненного цикла папоротника, CRY4 - в спорах и молодых листьях, выросших в темноте, CRY5 - при прорастании споры.

Криптохромы присутствуют во всем растительном царстве, включая голосеменные, папоротники, мхи и водоросли. Они же регулируют внутренние циркадные ритмы дрозофилы, мыши и человека.

Фототропины (PHOT) (см. рис. 49, 50) - мембранные рецепторы СС, РНОТ1 и РНОТ2 (NPH1 и NPL1), в состав которых входят два главных нолипептидных домена. N-терминальный сенсорный домен содержит два домена LOV1 и LOV2 (свег, кислород и напряжение), служащие местом связывания хромофора флавинмононуклеогида ФМН (рис. 58). С-терминальный домен связывает протеинкиназу.

Фототропины действуют как рецепторы СС/УФ-А, имеющие два ника - в ультрафиолетовой области (350-380 нм) и области СС (450 нм), поглощение в зеленой области спектра незначительно (см. рис. 55, б).

Строение фототропина и ZTL (а) и их фотопревращения (б) (модифицировано по Moglich et al., 2010 и Ito, Song, Imaizumi, 2012)

Рис. 58. Строение фототропина и ZTL (а) и их фотопревращения (б) (модифицировано по Moglich et al., 2010 и Ito, Song, Imaizumi, 2012)

У A. thaliana функционируют два фототропина с разной чувствительностью к СС: РНОТ1 обладает высокой чувствительностью и вызывает ответ на действие СС низкой интенсивности, тогда как РНОТ2 характеризуется низкой чувствительностью и вызывает- ответ на действие СС высокой интенсивности.

Локализация фототропинов в клетке растений меняется в зависимости от освещения. В темноте фоторецептор равномерно распределен в плоскости плазмалеммы этиолированных проростков, а после освещения СС PHOT 1 теряет связь с мембраной и выходит в цитозоль.

Наибольшее скопление РНОТ1 наблюдают в клетках сосудистой паренхимы и апекса гипокотиля и корня. Структура скоплений РНОТ1 подобна структуре экспрессии PIN1 и PIN2, переносчиков ауксина.

При поглощении кванта СС или УФ-А происходит фоговозбуж- дение ФМН домена LOV2 у D450 (рис. 58. В), что приводит к образованию короткоживущего триплетного состояния Ь6«ь который дает метастабильный гиоаддукт изоаллоксазинового кольца ФМН с консервативным цистеином (Су s39 РНОТ1) - состояние S390. В темноте ФМН постепенно возвращается в исходное состояние.

СС/УФ-А-зависимое образование тиоаддукта ФМН с цистеином LOV домена приводит к изменению конформации аиоиротеи- на, снятие репрессии протеинкиназного домена, автофосфорилирование фототропинов по нескольким Ser и связывании с 14-3-3 белками. В темноте происходит постепенное дефосфорилирование фототропинов с помощью протеинфосфатаз (РР2А).

Сигналинг фототропинов связан с изменением состояния мембран. Открывание Са2-каналов плазмалеммы (РНОТ1) и Са2 - каналов эндомембран (РНОТ2) приводит к повышению концентрации ионов кальция в цитоплазме, последующей активации Са2 - кальмодулина, Н+-АТФазы (плазмалеммы и тонопласта) и К П1- каналов.

Предполагают, что белок NPH3, взаимодействующий с РНОТ1, действует как молекулярный остов для переноса PHOT 1 вместе с параллельно локализованными белками-транспортерами ауксина. Активированный РНОТ1 фосфорилирует переносчик ауксина, изменяя его активность и поддерживая генерирование бокового градиента ауксина изгибающегося органа, что является основой для фототропической реакции. Таким образом, для передачи сигнала СС служит свеговая активация домена киназы у фотогропина.

Отмечено значительное перекрывание функций РНОТ1 и РНОТ2 (рис. 59).

Физиологическая роль фототропинов

Рис. 59. Физиологическая роль фототропинов: I - фототропизм;

  • 2 - открытие устьиц; 3 - перемещение хлоропластов;
  • 4 - растяжение семядолей / листьев; 5 - движение листьев

ZTL/FKFI/LKP2 - третья группа фоторецепторов, поглощающих СС (см. рис. 58). Белки семейства обладают одним LOV доменом в N-терминальной области, последовательно связанным с доменом F-box и шестью повторами Kelch в С-терминальной области. Показаны схожие с фототропинами превращения фотонродук- тов. Однако период превращения фотопродуктов был более продолжительным, чем у фототропинов (рис. 58, В).

Белки этой группы пигментов участвуют в регулировании циркадных ритмов (биологических часов) и фотонериодического цветения растений.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >