Файл: Сигнальные системы клеток растений.pdf

СИГНАЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ ЦИТОСКЕЛЕТА

От цитоскелета (тубулиновых микротрубочек и актино-

вых  микрофиламентов)  зависит  морфогенез  на  клеточном 

уровне (ультраструктура клеток), осуществление простран-

ственно-временного  контроля  роста,  деления  и  дифферен-

циации  клеток  [Васильев,  1996;  Клячко,  1998;  Медведев, 

Маркова,  1998].  Известно,  что  переориентация  расположе-

ния микротрубочек под влиянием фитогормонов приводит 

к  соответствующему  изменению  направленности  отложе-

ния  вновь  синтезируемых  микрофибрилл  целлюлозы  [Тар-

чевский, Марченко, 1987; Tarchevsky, Marchenko, 1991] и па-

раметров  роста  клеток,  например,  к  замедлению  или пре-

кращению  удлинения клеток и их  утолщению. Это может 

происходить  достаточно  быстро.  Например,  переориента-

ция микротрубочек в замыкающих клетках устьиц осущест-

вляется уже через несколько минут после начала действия 

экзогенной абсцизовой кислоты [Eun, Lee, 1997]. Ауксин и 

гиббереллины  способствуют  поперечному  расположению 

микротрубочек  по  отношению  к  продольной  оси  клеток, 

цитокинины, абсцизовая кислота и этилен ориентируют мик-

ротрубочки  в  продольном  направлении.  Особенно  быстро 

клетки реагируют на этилен.

В последнее время обращают все большее внимание на 

важную роль сигнальных систем не только в изменении ме-

таболизма, но и в структурных изменениях клеток и участии 

в  них  цитоскелета  при  патогенезе  [Chrispeels  et  al.,  1999; 
Volkmann, Baluska, 1999; Papakonstanti et al., 2000].

И у животных, и у растений цитоскелет - сложная сеть 

нитей, пронизывающих цитозоль, - состоит из трех основ-

ных типов структур: толстых тубулиновых микротрубочек, 

тонких  актиновых  нитей  (филаментов)  и  промежуточных 

(по диаметру) нитей. От этих надмолекулярных образова-

ний, постоянно распадающихся и создаваемых заново из мо-

номерных белков, зависит движение цитозоля, органоидов 

и  очертания  клеток  растений,  а  также  внутриклеточный 

транспорт ряда белков. Все типы микротрубочек и актино-

вых филаментов способны связываться латерально с помо-

щью вспомогательных белков или с себе подобными или с 

другими типами структур. Белки цитоскелета и обслужива-

ющие  их  белки  имеют  консервативные  последовательно-

сти, характерные и для животных, и для растений (еще один 

пример универсальности молекулярной и надмолекулярной 

структуры). Микротрубочки образуются в два этапа: снача-

ла путем димеризации а- и Р-тубулина, а затем димеры по-

лимеризуются  с  образованием  трубчатой  структуры  диа-

метром  22  нм.  Вспомогательные  МАР-белки  (microtubules 
associated  proteins) 

нескольких  классов  значительно  снижа-

ют  пороговую  концентрацию  тубулина,  необходимую  для 

сборки  из  него  микротрубочек.  Спиралевидные  актиновые 

нити диаметром 6-7 нм образуются из однотипных актино-

вых субъединиц с затратой АТФ. Баланс между мономер-

ными  актиновыми  белками  и  микрофибриллами  обеспечи-

вается  вспомогательными  белками  -  актин-деполимеризу-

ющим  фактором,  кофилином  и  профилином.  С  помощью 

вспомогательного  белка  фодрина  обеспечиваются  лате-

ральное взаимодействие нитей и появление пучков микро-

фибрилл,  а  вспомогательный  белок  фил  амин  участвует  в 

образовании  сетчатой  (решетчатой)  структуры,  скрепляя 

филаменты в местах их пересечения друг с другом. Микро-

трубочки и микрофиламенты способны участвовать в пере-

мещении  вдоль  своей  поверхности  различных  структур 

(включая везикулы и органеллы) с помощью специальных 

вспомогательных  белков-моторов  кинезина  и  цитоплазма-

тического динеина.

Все эти факты приобретают для нас особое значение в 

связи с тем, что многие участники процессов функциониро-

вания, образования и деградации микротрубочек и микро-

фибрилл, а также их реориентации являются мишенями ин-

термедиатов некоторых сигнальных систем клеток. Это от-

носится к повышению в цитозоле концентраций протонов, 

ионов  кальция,  Са

2+

-

кальмодулина,  активности  МАР-киназ. 

Могут регулировать процессы полимеризации актина и ло-

кализации в клетках актиновых нитей ГТФ-связывающие

белки,  протеинкиназы,  протеинфосфатазы,  фосфоинози-

тидфосфатазы.

Показано,  что  актин-деполимеризующий  фактор  изме-

няет  активность  под  влиянием  фосфорилирования  с  помо-

щью  Са

2+

- 

зависимых  протеинкиназ.  У  арабидопсиса  был 

выделен  кальмодулинсвязывающий  моторный  вспомога-

тельный  белок  кинезин,  причем  Са

2+

-

кальмодулиновый 

комплекс  этого  белка  с  кинезином  ингибировал  способ-

ность микротрубочек участвовать в процессах внутрикле-

точного движения. Фосфорилирование а- и |3-тубулинов ак-

тивировалось  Са

2+

-

кальмодулинзависимыми  и  цАМФ-зави-

симыми  протеинкиназами,  а  также  протеинкиназой  С 
[Blume et al., 1997].

Абсцизовая  кислота  вызывала  быструю  деполимериза-

цию кортикальных актиновых нитей в замыкающих клет-

ках устьиц, причем этот процесс был опосредован входом в 

клетки ионов кальция [Hwang, Lee, 2001]. Деполимеризация 

медиировалась также протеинкиназами (о чем свидетельст-

вовало ее подавление стауроспорином).

Особое  внимание  привлекает  установление  факта  уди-

вительного  сходства  трехмерной  структуры  цитоскелетных 

вспомогательных моторных белков с G-белками. Так как 
G-

белки могут непосредственно взаимодействовать с цито-

плазматическим доменом многих рецепторов в сигнальных 

системах (и изменять при этом свою конформацию и актив-

ность),  то  этот  факт  позволяет  допускать  возможность 

очень тесной  связи  даже  между  начальными  звеньями  сиг-

нальных систем и цитоскелетом.

Димеры  тубулина  имеют особенно  высокое сродство с 

ос-субъединицами  G-белков  [Крутецкая,  Лонской,  1994]. 

Обнаружено, что активатор G-белков мастопаран вызыва-

ет  (предположительно,  при  участии  фосфоинозитольной 

сигнальной системы) переход вспомогательного белка про-

филина (взаимодействующего с мономерной формой акти-

на [McCurdy et al., 2001]) из ядра в цитоплазму у клеток кор-

ней кукурузы и связанное с этим изменение структуры ак-

тиновых микрофиламентов [Baluska et al., 2001].

Выделен класс белков - пипмодулинов (связывающихся 

с фосфоинозитидными фосфолипидами клеточной мембра-

ны),  контролирующих  освобождение  фосфоинозитолбис-

фосфата (Р1Р

2

) с помощью фосфолипазы С [Lanier, Gertler,

2000] и зависящую от Р1Р

2

динамику изменения структуры и 

локализации  актиновых  нитей,  которые,  в  свою  очередь, 

определяют морфогенез клеток.

Использование  ингибитора  полимеризации  тубулино-

вых  белков  оризалина,  вызвавшего  скопление  ретикуло-

плазминовых  Са

2+

-

связывающих  белков  вблизи  плазмати-

ческой и ядерной мембран [Олиневич и др., 2001], позволи-

ло авторам сделать вывод об участии цитоскелета и ретику-

лоплазминов в преобразовании внешних сигналов.

Перестройки  актиновых  нитей  очень  чувствительны  к 

изменениям рН. При высоком содержании протонов акти-

новые нити более стабильны, а микротрубочки менее ста-

бильны, что не может не отразиться на состоянии цитоскеле-

та в целом [Медведев, Маркова, 1998]. Если иметь в виду, 

что одним из наиболее ранних ответов клеток растений на 

действие патогенов и элиситоров является подкисление ци-

тозоля, то становится очевидным, что это не может не по-

влиять на структуру и функции цитоскелета.

Описаны  контролируемые  цитоскелетом  изменения 

морфогенеза  клеток,  вызванные  не  только  фитогормона-

ми,  но  и  светом,  изменением  направления  силы  тяжести  и 

другими причинами. Для нас особый интерес представляют 

факты  действия  на  функционирование  цитоскелета  инфи-

цирования  растений  патогенами,  приведенные  в  обзорной 

работе [Nick, 1999]. Показано, что ядро клетки растения-хо-

зяина начинает двигаться к месту контакта с клеткой гриба 
[Gross et  al., 

1993]. Движение ядра осуществляется с помо-

щью  актиновых  микрофиламентов  и  обусловлено  также 

локальной  деполимеризацией  кортикальных  микротрубо-

чек вокруг места контакта с грибом. Можно вызвать тор-

можение  движения  ядра  с  помощью  специальных  препара-

тов, причем в этом случае грибы, которые не были способ-

ны  инфицировать  растение,  становились  патогенными 
[Kobayashi et al., 1997]. 

Авторы связывают это с ослаблени-

ем  отложения  каллозы  на  внешней  поверхности  плазма-

леммы, в месте контакта с патогеном.

Исследование  особенностей  действия  элиситоров  крип-

тогеина и олигогалактуронидов на цитоскелет клеток таба-

ка показало [Binet et al., 2001], что первый вызывал быстрое 

и сильное разрушение сети микротрубочек, в то время как 

вторые не оказывали влияния на нее. Действие криптогеи-

на  положительно  коррелировало  с  поглощением  клетками 

ионов кальция. В то же время имеется информация о регу-

ляции  функционирования  кальциевых  каналов  цитоскеле-

том [Thuleau et al., 1998].

Непатогенный  мутант  патогенного  для  риса  гриба 

Magnaporthe  grisea 

вызывал целый ряд защитных метаболи-

ческих реакций и перестройку актинового цитоскелета [Хи 
et al., 1998].

Б

ОЛЬШОЙ 

интерес вызывает информация о том, что глю-

кановые  фрагменты  из  клеточных  стенок  фитофторы  вы-

зывали снижение содержания мРНК одной из двух обнару-

женных  изоформ  тубулина,  причем  это  было  вызвано  не 

подавлением экспрессии гена тубулина, а деградацией тубу-

линовой  мРНК,  опосредованной  глюканиндуцированным 

повышением содержания ионов кальция в цитозоле [Ebel et 
al., 2001].

Вызванная  липохитоолигосахаридами  (Nod-факторами) 

быстрая деполимеризация актина считается главной причи-

ной  успешного  проникновения  бактерий  Rhizobium  в  кор-

невые волоски с последующим образованием клубеньков у 

бобовых растений [Cardenas et al., 1998; Ruijter et al., 1998]. 

Обнаружено, что при бактериальной атаке растений одним 

из  наиболее  быстро  индуцируемых  белков  является  цент-

рин цитоскелета [Cordeiro et al., 1998].

Итак, есть все основания считать, что цитоскелет связан 

с  сигнальной  сетью  и  его  изменения  являются  частью  за-

щитного механизма против патогенных грибов и бактерий. 

С  другой  стороны,  вирусы  могут  использовать  микротру-

бочки  цитоскелета  для  передвижения  от  клетки  к  клетке 

через плазмодесмы [Heinlein et al., 1995], и в этом случае ци-

тоскелет скорее способствует инфицированию растений, а 

не их защите.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ СО 

СТРЕССОВЫМИ ФИТОГОРМОНАМИ

При изучении  механизмов  влияния на растения  различ-

ных патогенов и элиситоров было обнаружено, что они вы-

зывают достаточно быстрое и интенсивное накопление так 

называемых  стрессовых  фитогормонов.  К  ним  относят  со-

единения различной химической природы: абсцизовую кис-

лоту, этилен, жасмоновую кислоту (и метилжасмонат), са-

лициловую кислоту (и метилсалицилат), брассиностероиды, 

системин.

Образовавшиеся  стрессовые  фитогормоны  вызывают 

синтез различных защитных соединений и повышение ус-

тойчивости как в клетках, подвергшихся действию элиси-

торов  (местная  или  локальная  устойчивость),  так  и  на 

удалении  от  них  (системная  устойчивость).  Последнее 

объясняется  способностью  большинства  фитогормонов 

транспортироваться  на  большие  расстояния  или  вызы-

вать в клетках появление транспортных вторичных эли-

ситоров.

Стрессовый фитогормон абсцизовая кислота образуется 

в результате окисления и связаного с этим разрыва углево-

дородной цепи в каротиноидах, вызванного патогенами или 

элиситорами [Chernys,  Zeevaart,  2000] (рис. 36). Ключевым 

индуктивным  ферментом,  от  активности  которого  зависит 

интенсивность появления абсцизовой кислоты, является 9-

1(мс-эпоксикаротиноид-диоксигеназа.

Другой  стрессовый  фитогормон  -  летучее  соединение 

этилен  -  синтезируется  в  ходе  последовательных  реакций 

(рис. 37), в которых принимают участие индуктивные фер-

менты: 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат-синтаза (АЦКС) 

и 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат-оксидаза (АЦКО).

Рис. 38. Последовательность реакций синтеза салици-

ловой кислоты

Рис. 36. Последовательность реакций синтеза абсцизовой кисло-

ты [Chernys, Zeevaart, 2000]

Содержание  еще  одного  фитогормона  -  салициловой 

кислоты - при действии патогенов и элиситоров повышает-

ся  в  десятки,  а  в  некоторых  случаях  более  чем  в  сто  раз 
[Malamy et al., 1990; Raskin, 1992; Delaney et al., 1994; Leon et 
al., 

1995]. Образуется салициловая кислота в серии реакций 

из аминокислоты фенилаланина (рис. 38), причем лимити-

рует этот процесс фермент фенилаланин-аммоний-лиаза,

активируемая  при  действии  на  растения  различных  элиси-

торов. Фермент катализирует превращение фенилаланина 

в  транс-коричную  кислоту,  которая,  по-видимому,  в  ре-

зультате (3-окисления образует бензойную кислоту,  а пос-

ледняя  с  помощью  бензоат-2-гидроксилазы  (принадлежа-

щей  к  семейству  цитохрома  Р-450)  —  салициловую.  Повы-

шение содержания салициловой кислоты вызывает образо-

вание из нее эфира глюкозы, откладывающегося в клеточ-

ных  стенках  и  гидролизуемого  при  инфицировании  расте-

ний  патогенами,  что  вносит  вклад  в  салицилатный 

"всплеск" при патогенезе. Считается, что флоэмоподвиж-

ная салициловая кислота играет важную роль в выработке 

у растений системной устойчивости к патогенам [Malamy et 
al., 1993; Metraux et al., 1993; Rasmussen et al., 

1991; Запроме-

тов, 1993; и др.].

История исследования еще одного типа стрессовых фи-

тогормонов - брассиностероидов, насчитывает уже 20 лет, 

но на их роль при стрессе стали обращать внимание сравни-

тельно недавно. В настоящее время охарактеризовано бо-

лее  40  представителей  этого  класса  соединений,  выделен-

ных из растений, имеющих типичный для стероидов тетра-

гетероциклический скелет и отличающихся  конфигурация-

ми и радикалами, присоединеными к циклической структу-

ре и боковой углеводородной цепи. Так же как в случае дру-

гих  стеролов  (в  том  числе  стероидных  гормонов  живот-

ных), их синтез начинается с ацетил-КоА, а основными ин-

термедиатами  являются  мевалонат,  изопентенилпирофос-

фат  и  диметилаллилпирофосфат,  геранилпирофосфат  и 

фарнезилпирофосфат.  Образование  брассиностероидов  мо-

жет  усиливаться  под  влиянием  патогенов,  но  было  также 

отмечено и торможение экспрессии гена метилтрансфера-

зы,  от  которой  зависел  синтез  одного  из  основных  пред-

шественников брассиностероидов [Shi et al., 1996].

При  обработке  растений  экзогенными  брассиностерои-

дами повышается устойчивость к патогенным грибам и ви-

русам [Шакирова, Безрукова, 1998; Khripach et al., 2000].

Выше уже отмечалось, что патогениндуцируемые стрес-

совые фитогормоны могут вызывать ответную реакцию на 

достаточно  большом  удалении  от  места  инфицирования 

ткани  -  системный  иммунитет  растений,  проявляющийся  в 

устойчивости к самым различным патогенам.

Внимание исследователей механизма формирования си-

стемного иммунитета привлек сравнительно небольшой по-

липептид,  состоящий  из  18  аминокислотных  остатков,  на-

званный  системином.  Ряд  авторов  признали  его  первым 

идентифицированным  фитогормоном  полипептидной  при-

роды [McGurl et al., 1992; Slosarek et al., 1995; Bergey et al., 1996; 
Bowles, 1998; Constabel et al., 1998; Ryan, Pearce, 1998; Chao et 
al., 1999; Dombrowski et al., 1999; Sheer, Ryan, 

1999]. Интен-

сивное  образование  системина,  который  сначала  считали 

раневым  сигналом,  происходит  при  механическом  повреж-

дении тканей растений (например, травоядными животны-

ми  или  листогрызущими  насекомыми),  действии  на  расте-

ния  различных  патогенов,  элиситоров,  обезвоживания,  за-

соления и других стрессоров. В связи с этим системин мо-

жет  считаться  стрессовым фитогормоном. Этот пептид яв-

ляется продуктом частичной деградации (посттрансляцион-

ной модификации) более крупного предшественника - про-

системина,  состоящего  из  200  аминокислот.  Замещение  в 

системине остатка пролина-13 и тирозина-17 аланином при-

водит практически к полной потере элиситорной активно-

сти  системина  [Pearce  et  al.,  1993].  Накопление  системина 

носит  двухфазный  характер,  что  объясняется  его  разруше-

нием за счет протеолиза связи по местоположению лизи-

на-14. При N-метилировании этой связи системин становит-

ся более устойчивым к действию протеаз, и активность сис-

темина становится более продолжительной, по сравнению с 

контрольным вариантом [Schaller, 1998]. Исследования кон-

формации  системина  привели  к  неоднозначным  результа-

там. С одной стороны, на основании данных ЯМР-спектро-

скопии  сделан  вывод  об  отсутствии  в  этом  полипептиде 

жесткой структуры типа спирали или ленты [McGurl, Ryan, 

1992], с другой [Slosarek et al., 1995] - предложена модель Z-

подобной ленточной (3-структуры системина.

В  интактных  растениях  ген  просистемина  может  быть 

отнесен к числу спящих. Он состоит [McGurl et al., 1992] из 

десяти интронов и одиннадцати экзонов, десять из которых 

организованы  в  пять  гомологичных  пар.  Данные  о  роли 

системина  в  качестве  фактора  индукции  системной  устой-

чивости растений подкрепляются тем, что это — флоэмомо-

бильный полипептид [Schaller, Ryan, 1996].

Фитогормон  может  опосредовать  лишь  часть  ответа 

клеток на тот или иной элиситор. Обнаружено, например, 

что  метилжасмонат  индуцирует  накопление  сесквитерпен-

циклазы (одного из ключевых ферментов синтеза терпено-

идных фитоалексинов) лишь в следовых количествах, в от-

личие от быстрого и интенсивного образования этого фер-

мента в культуре клеток табака под влиянием грибных эли-

ситоров [Mandujano-Chavez et al., 2000].

Один из стрессовых фитогормонов - жасмоновая кисло-

та, а также метилжасмонат образуются (см. рис. 19) в ходе 

реакций  элиситориндуцируемого  липоксигеназного  метабо-

лизма [Vick, Zimmerman, 1987; Гречкин, Тарчевский, 1999].