Трансдукция светового сигнала в растении

Различные пути развития растений реализуются, прежде всего, через изменения в уровне экспрессии фоторегулируемых генов. В настоящее время интенсивно изучаются клеточные события, ведущие к активации этих генов, и получены объяснения некоторых этапов на нижнем уровне пути передачи сигналов от фоторецепторов КС и СС при изучении мутантов A. thaliana, дефектных по различным аспектам фотоморфогенеза (см. табл. 5).

Программа скотоморфогенеза - программа развития в темноте - требует для своей реализации продуктов специальных генов, подавляющих путь фотоморфогенетического развития. Ингибирование программы фотоморфогенеза связано с инактивацией фоторецепторов и положительных регуляторов фотоморфогенеза (HY5) в результате убиквитинирования и протеолиза, осуществляемого СОР1, СОР9, СОРЮ, DET1, FUS6 и SUBI (рис. 69).

Обработка световыми сигналами уменьшает репрессию фотоморфогенеза. На свету в зависимости от его спектрального состава активируется определенный набор фоторецепторов. На СС активируются криптохромы, фототроиины, ZTL и фигохромы, на КС - фитохромы. В отсутствие света N-терминальный домен CRY1 и

СЯУ2 подавляет проявление конститутивной световой реакции С- герминального домена. При поглощении СС отменяется ингибирование С-терминального домена, вызывая выход от него сигнала. Поглотив квант СС, флавин кршггохрома, находящийся в стабильной частично восстановленной семихиноновой форме, возбуждается и легко отдает электроны, изменяя редокс-погенциал и конформацию рецептора. Эго обусловливает' автофосфорилирование или фосфорилирование кршггохрома с помощью фитохрома. Фос- форилированный СЛУ2, включая трансдукцию светового сигнала и физиологические ответы, быстро разрушается.

Деэтиоляция проростков А. IИаНапа на селективном свету

Рис. 69. Деэтиоляция проростков А. IИаНапа на селективном свету

Существенным шагом в грансдукции светового сигнала, управляемой фитохромами, является их импорт в ядро, зависимый от качества и количества света (рис. 70), однако часть фитохромов остается в цитоплазме. Для перемещения фоторецепторов требуется свегоин- дуцированная конверсия Фк в Фдк.

Модель локализации фотосенсоров в клетке (модифицировано по КатртяЮ е! а!.. 2003)

Рис. 70. Модель локализации фотосенсоров в клетке (модифицировано по КатртяЮ е! а!.. 2003)

При этом автофосфорилирование Фдк (Авто-Р) регулирует стабильность фитохрома (рис. 71).

Гипотетическая модель, изображающая фосфорилирование и активность киназы фитохромов

Рис. 71. Гипотетическая модель, изображающая фосфорилирование и активность киназы фитохромов

Фосфорилирование протеинкиназой (РК) связующей области 8598 Фдк определяет связь с ЫЭРК2 и Р1РЗ, препятствующими взаимодействию с преобразователями сигнала нижнего уровня регуляции. Однако дефосфорилирование белковыми фосфатазами ЕуРР и РАРР5 (РР) поддерживает взаимодействие с преобразователями сигнала нижнего уровня.

К настоящему времени получены доказательства вовлечения двух механизмов в процессы деэгиоляции, вызванные фоторецепторами, которые, вероятно, лежат в основе механизмов влияния фоторецепторов на процессы развития. Фоторецептор может усиливать свсговой сигнал через активацию вторичных цитоплазматических посредников (рис. 72), вызывающих другую клеточную активность, включая регуляцию экспрессии генов. Кроме того, ядерный фоторецептор можсг прямо взаимодействовать с транскрипционным или посттранскрипционным аппаратами, изменяя генную экспрессию и способы развития. Предполагают, что криптохромы, перемещаясь в цитоплазму в ответ' на действие света, регулируют рост клеток через светозависимый контроль анионных каналов плазматической мембраны.

Схема передачи светового сигнала в растении

Рис. 72. Схема передачи светового сигнала в растении

Цитоплазматический пул активного фитохрома ФДКРНУВ может регулировать быстрые реакции, такие как ионные потоки в плазматической мембране, или воздействовать на ориентацию хлоропластов и поляро- и фототропизмы. Импорт фоторецептора в ядро явля- ется главным регулирующим шагом в РНУВ-опосредованной передаче световых сигналов.

Сигнальные каскады, управляемые фитохромами РНУА и РНУВ, опосредованы активацией гетеротримерного ГТФ-связывающего С- белка(ков). Этот этап вызывает индукцию разветвленного пути тран- сдукции сигнала, который модулирует клеточные уровни вторичных посредников (цГМФ, Са2~, кальмодулин, фосфолипазы О, протеин- киназы) и активизирует, в конечном счете, транскрипцию свегорегу- лируемых генов.

Показано взаимодействие криптохромов с хроматином. СЯУ2 А. втИапа ассоциируется с хромосомами, возможно, через другие белки, участвующие в сигнальной трансдукции света. В ответ на действие СС СЯУ1 и СЯУ2 изменяют экспрессию 1/3 генов А. /каИапа. Другая часть изменений экспрессии зависимых от СС генов, возможно, опосредована РНУА.

В темноте РШЗ активирует гены, ответственные за скотоморфо- генез, и таким образом запрещает фотоморфогенетические ответы (рис. 73). В присутствии света активная форма фитохрома Фдк мигрирует в ядро и взаимодействует с РШЗ, обусловливая его фосфорилирование (Р), последующую убиквитинацию (и) и деградацию РШЗ в 26$ протеасоме.

Модель функционирования PIF3 в ядре (модифицировано по Paul. Khurana, 2008)

Рис. 73. Модель функционирования PIF3 в ядре (модифицировано по Paul. Khurana, 2008)

Протеасомная система деградации белков универсальна для всех видов белков и широко используется для удаления ненужных в данный момент белков (рис. 74).

Модель убиквитин-зависимой деградации белков протеасомой (Сорокин, Ким, Овчинников, 2009)

Рис. 74. Модель убиквитин-зависимой деградации белков протеасомой (Сорокин, Ким, Овчинников, 2009): Ub - убиквитин; (иЬ)п-субстрат - полиубиквитинированный белок-субстрат; 26S PR - 26S изоформа протеасомы, 20S - 20S коровая протеасома (core proteasome, CP);

19S - 19S регуляторная частица (19S regulatory particle, RP)

Фоторегуляция процессов в растении во многом обусловлена регуляцией активности белков COP/DET/FUS (репрессоров фотоморфогенеза) светом при посттрансляционном регулировании. СОР1 функционирует как субъединица ЕЗ-убиквитинлигазного комплекса, ассоциированного с разрушением bZIP-транскрип- ционного фактора HY5 в темноте. Ядерная локализация СОР1 регулируется светом в зависимости от типа клеток. В клетках корня, где СОР1 конститутивно активен и подавляет развитие хлоропласта, локализуется в ядре во всех условиях освещения. В клетках гипокотиля СОР1 является ядерным только в темноте, но исключается из ядра на постоянном БС. Ядерно-цитонлазматическое перераспределение СОР1 определяет светорегулируемые процессы и служит для регуляции развития растений.

Роль протеасомы в опосредованном убиквитином (U) регулировании LAF1 и HY5 (модифицировано по Paul. Khurana, 2008)

Рис. 75. Роль протеасомы в опосредованном убиквитином (U) регулировании LAF1 и HY5 (модифицировано по Paul. Khurana, 2008)

В этиолированных проростках (рис. 75, Темнота) СОР1, репрессор генов фотоморфогенеза, преобладает в ядре и формирует комплекс с SPA1. Комплекс СОР 1-SPA 1, в свою очередь, убикви- тинирует (U) положительные транскрипционные регуляторы, LAF1 и HY5, которые подвергаются деградации в 26S протеасоме, таким образом, подавляя экспрессию светочувствительных генов в темноте. Однако в присутствии света (рис. 75, Свет) СОР1 мигрирует в цитоплазму, и, следовательно, предотвращается опосредованная нротеасомой деградация LAF1 и HY5, обусловливая увеличение их содержания в ядре. В результате LAF1 и FT Y 5 связываются со светочувствительными элементами (LRE) в промоторах светочувствительных генов и увеличивают их экспрессию, приводя в конечном счете к фотоморфогенезу.

Согласно другой модели регуляции фотоморфогенеза уточняется роль белков семейства CIP. СОР1, действуя как компонент ЕЗ убиквигинлигазного комплекса (рис. 76, 1а), обеспечивает специфичность механизма убиквитинирования к субстратам, включаемым в фотоморфогенез, таких как фактор транскрипции HY5.

Белок CIP8, связывая СОР1, способствует переносу связанных с ним целевых белков на малую цепь убиквитина. В темноте комплекс СОР1-С1Р8 обеспечивает поступление HY5 для разложения в 26S нрогеасоме (рис. 76, 2а, б).

Модель действия белков СОР1 и CIP в фотоморфогенезе A. thaliana (модифицировано по Hardtke. Deng, 2000)

Рис. 76. Модель действия белков СОР1 и CIP в фотоморфогенезе A. thaliana (модифицировано по Hardtke. Deng, 2000): Уб- убиквитин;

Е1 - Уб-активирующий фермент El; Е2 - Уб - связывающий фермент Е2

При освещении СОР1 инактивируется реакциями, опосредованными ядерными факторами CIP7 и/или CIP4 (рис. 76, 46),

предотвращающими гомодимеризацию и соответственно активность СОР1. Инактивация СОР1 обусловливает стабилизацию НУ5 (рис. 76, Зв). Долговременная инактивация СОР1 обеспечивается его выходом из ядра и иммобилизацией в цитоплазме за счет белка цитоскелета С1Р1 (рис. 76, За). Субклеточная локализация С1Р1 зависит от тина клеток. Так, в гипокотилях и семядолях С1Р1 локализуется в соответствии с распределением цитоскелета в протопластах, а в корнях С1Р1 ограничена дискретными локусами.

Суммарная схема известных факторов, вовлеченных в экспрессию фитохром-регулируемых генов (модифицировано по ВИаппа, 2001)

Рис. 77. Суммарная схема известных факторов, вовлеченных в экспрессию фитохром-регулируемых генов (модифицировано по ВИаппа, 2001)

На свету вследствие фотоингибирования активности СОР1- связывающего домена СКИ пул НУ5 быстро увеличивается (рис. 76, 36) и поддерживает начало фотоморфогенеза.

В условиях темноты осуществляется ингибирование программы фогоморфогенеза, связанное с инактивацией фоторецепторов и положительных регуляторов фотоморфогенеза в результате убик- витинирования и протеолиза, осуществляемого СОР1 и СОР9, СОРЮ, DET1, FUS6 и SUBI.

Последовательность событий с участием факторов, вовлеченных в экспрессию фитохром-регулируемых генов, показана в схеме на рис. 77. Красный свет конвертирует неактивные формы фи- тохромов А и В (ФКА, ФКВ) в активные формы (ФЛКА, ФЛКВ) (7), которые могут автофосфорилироваться (2).

Активированный фитохром А фосфорилирует фитохром субстрат киназу 1 (PSK1) (2). Активированные формы фигохромов А и В возможно взаимодействует с G-белками (4). цГМФ (cGMP), Са2! и кальмодулин (САМ) могут активировать транскрипционные факторы X и У (5). Активированные формы фигохромов А и В входят в ядро (б) и, возможно, регулируют транскрипцию непосредственно или через взаимодействие с фигохром-инакти- вирущем фактором 3 (PIF3) (7). Связанная с ядром фосфаткиназа 2 (NDPK2) активируется фитохромом В (8).

В темноте СОР 1 входит в ядро и подавляет свегорегулируемые гены (рис. 77, 9) через убиквитинацию HY5 (10). Убиквитиниро- ванная HY5 деградирует в ассоциативном протеасомном комплексе COP/DET/FUS (11). На свегу СОР] взаимодействует с SPA1 и экспортируется в цитоплазму (12).

Взаимодействия между положительными и негативными компонентами передачи сигналов обусловливают реакции развития (рис. 78, 79). Продукты генов FHY1 и FHY3 действуют на первом уровне в передаче сигнала PUYA. Ген CUE1 кодирует положительный регулятор светозависимой экспрессии ядерных и пла- стидных генов. Экспрессия гена хальконсинтетазы (CHS) и генов ферментов биосинтеза антоцианина повышает чувствительность к свету мутанта icxl Arabidopsis.

В качестве негативных регуляторов фотоморфогенеза выступают члены семейства COP/DET/FUS, управляемые и индуцируемые PHYA-PHYE. При этом сигналосома СОР9 воздействует на свето- и гормон-индуцированную передачу сигналов, играя центральную роль в посредничестве деградации множества регуляторных белков. Мутации по нескольким локусам воздействуют на полное развитие органов и экспрессию светоиндуцируемых генов в течение морфогенеза проростков без дифференцирования пластид. Например, у мутантов сор4 и det2 отмечена значительная дерепрессия светоиндуцируемых генов в темноте, но не индуцируется развитие хлоропласта. Группа мутантов по трем локусам DOC1, DOC2 и DOC3 в темноте накапливает мРНК хлорофилл а/Ь-связывающего белка САВ, без заметного изменения морфологического фенотипа. Фенотип мутанта det3 характеризуется раскрытыми семядолями на коротком гипокотиле (световой фенотип), сопровождаемый непрерывной репрессией светоиндуцируемых генов в темноте. Среди компонентов трансдукции сигнала PHYB идентифицированы специфические для PHYB регуляторы реакции A-типа, ARR4, контролирующие темновую реверсию Фдк Фк, белки REDI и SLR1 и гены, вызывающие индуцированную ауксином передачу сигналов.

Баланс между скогоморфогенезом и фотоморфогенезом достигается благодаря ключевым модуляторам темного этиолированного состояния - фитохром-инакгивирущим факторам транскрипции (PIF). P1F1-5 предпочтительно взаимодействуют с активной формой фоторецептора фигохрома В (ФЛКРНYB) и разлагаются на свету фитохром-зависимым способом. В темноте повышенный уровень многочисленных белков P1F гарантирует поддержание этиолированного состояния развития. Свет' обеспечивает разложение PIF, ослабляя репрессию поддерживающих деэгиоляцию генов при их транскрипционном регулировании. Короткий световой импульс достаточен для преодоления PIF1- установленного ингибирования прорастания.

Путь фототрансдукции PUYA. Идентифицировано большое число белков, участвующих в передаче сигналов PHYA, среди которых встречаются ядерные белки - SPAl-нротеинкиназа (негативный регулятор), HFR1/RSF1/REP1 (положительный регулятор) и E1D1, а также цитоплазматические белки - FIN 219, PKS1 (негативный регулятор фотоморфогенеза) и PKS2 и P АТ 1.

Положительным регулятором трансдукции сигнала РНУА и РНУВ высгупаег ЫЭРК2, регулирующая ранние реакции деэгиоля- ции. Свеговая индукция гранскрипции частично устанавливается прямым взаимодействием РНУА и РНУВ с факторами транскрипции при их импорте в ядро.

Обнаруженные реакции становятся еще более понятными, если учесть возможные взаимодействия непосредственно между рецепторами (рис. 78, б).

Различия в действии фигохромов обусловлены особенностями взаимосвязи фигохромов с компонентами трансдукции их сигналов (рис. 79). Так, эффективность связывания РШЗ с Фдк РНУА почти на два порядка меньше, чем связывание с Фдк РНУВ. Предполагают, что после обработки КС форма Фдк РНУВ взаимодействует в ядре с гомодимерами Р1РЗ, тогда как после освещения ДКС форма Фдк РНУА взаимодействует или с гомодимерами Р1РЗ, или с гетеродимерами Р1РЗ и НРШ.

Таким образом, дифференциальная индукция транскрипции РНУА-управляемых генов может быть определена просто различными специфическими связями этих гомо- или гетеродимеров.

Криптохромы регулируют транскрипционные и посттранскрипционные процессы через взаимодействие с соответствующим регуляторным комплексом в ядре. Взаимодействуя с СОР1 (рис. 79) или другими белками СОР/ОЕТ, они подавляют их активность на свегу.

Аналогично СЯУ1, белки СОР1 и VD40 имеют светорегулируемую ядерно-цитоплазматическую локализацию. В темноте они накапливаются в ядре, а на свету - в цитоплазме. Согласно модели транскрипционной регуляции реакций деэтиоляции, опосредованных криптохромами, на свету фотоакгивированный СЯУ1 вместе с СОР1 исключаются из ядра, обеспечивая накопление транскрипционного фактора НУ5 и акгивацию транскрипции генов, необходимых для фотоморфогенеза.

Согласно другой гипотезе взаимодействие криптохром-СОР 1 не зависит от света. Поглощение света криптохромами может приводить к внутримолекулярным окислительно-восстановительным реакциям и изменению их конформации, влияющей в свою очередь на конформацию или активность белка СОР1 и ответы развития органов и растения в целом.

Участие фитохромов и криптохромов в трансдукции светового сигнала с участием цитоплазматических и ядерных взаимодействий

Рис. 78. Участие фитохромов и криптохромов в трансдукции светового сигнала с участием цитоплазматических и ядерных взаимодействий (а) и взаимодействие фоторецепторов при регулировании фототропизма и фотоморфогенеза (б) (модифицировано по Ahmad et ai., 1998; Yang et al., 2000;

Yang, Tang, Cashmore, 2001)

Схема сигналинга селективного света с участием продуктов ранних и поздних генов

Рис. 79. Схема сигналинга селективного света с участием продуктов ранних и поздних генов. Стрелками показаны положительные, а 1-линиями - негативные регуляторы передачи сигналов фитохромов и криптохромов. Ключевые регуляторы фотоморфогенеза - HY5, COP/DET/FUS.

ЗСВ и ЗСН - ЗС высокой и низкой интенсивности.

Рисунок модифицирован из работы Jiao с соавт., 2007

Взаимодействие фоторецепторов растений. В Arabidopsis фитохромы А и В и криптохром CRY1/HY4 регулируют ингибирование удлинения клеток гинокотиля. Рост гипокотиля Sinapis alba наиболее чувствителен к действию КС и ДКС, тогда как у Arabidopsis - СС. Фитохромы и криптохром 1 оказывают аддитивное действие, специализируясь в реакциях на действие света низкой и высокой интенсивности соответственно.

Анализ кинегики роста гинокотиля на СС показал, что cry 1 и сгу2 отвечают за медленную фазу ингибирования роста (30- 120 мин), а РНОТ1 - быструю (менее 30 мин). В результате предположили, что РНОТ1 инициирует ингибирование роста СС, в то время как криптохромы необходимы для самого ингибирования роста.

В ответ на действие света экспрессируются немногочисленные гены первичного ответа, кодирующие регуляторные белки, которые вторично меняют экспрессию уже большого числа генов генов вторичного ответа (рис. 80). Таким способом действует каскадный механизм фотоиндуцируемого изменения экспрессии комплекса генов, необходимого для реализации той или иной программы онтогенеза растения.

Возможно участие ростовых веществ в механизме действия фитохрома. Показано, что экспрессия гена ARR4 регулируется не только PHYB, но также и фигогормоном цитокинином (ЦК). Функция ARR4 зависит от фосфорилирования, и это позволяет предполагать, что гистидинкиназа CREI, связывающая ЦК, родственна киназе ARR4. Кроме того, повышенное содержание ЦК у мутанта ampl-1 но сравнению с диким типом обусловливает деэгиолированный фенотип проростков в темноте. Данные факты служат доказательством взаимодействия между свего- и гормонозависимыми каскадами передачи сигналов через ARR4, действующим как молекулярный переключатель пересечения этих путей.

Схема последовательности событий, ведущих от восприятия (перцепции) света до ответной реакции растений

Рис. 80. Схема последовательности событий, ведущих от восприятия (перцепции) света до ответной реакции растений

Путь трансдукции сигнала другого гормона брассиностероидов (БР) опосредует реакцию этиоляции проростков, растущих в темноте. Гены DET2, BRI 1 и BIN2, ответственные за биосинтез и восприятие гормона БР, а также грансдукцию сигнала БР, обусловливают реакции этиоляции в отсутствии света.

Возможен и механизм, опосредованный влиянием фитохрома на уровень фитогормонов. От состояния мембран зависит взаимодействие отдельных участков мембраны с веществами гормональной природы. Фитохромная система, регулируя состояние мембран, определяет тем самым величину потоков разнообразных веществ через поверхностную мембрану.

Подробно гормональная регуляция морфогенеза будет рассмотрена во 2-й части пособия.

о

: Вопросы на повторение

  • 1. Опишите схему передачи световою сигнала.
  • 2. Назовите особенности сигналинга фитохромов, криптохромов и фототропинов.
  • 3. Опишите взаимодействие фоторецепторов в процессе регуляции фотоморфогенеза и фототропизма.
  • 4. Опишите модель действия СОР1 в фотоморфогенезе растений.
  • 5. Назовите гены первичного и вторичного ответа.
  • 6. Перечислите вторичные посредники светового сигнала.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >