ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.11.2019
Просмотров: 3831
Скачиваний: 90
ксилоглюканового олигосахарида, обладающего антиауксиновым
действием [McDougall, Fry, 1991].
Была расшифрована структура ряда физиологически активных
олигосахаридов: разветвленного гептаглюкозида, полученного из
клеточных стенок патогенного гриба [Эл-берсгейм, Дарвилл, 1985];
пента- и гексамеров N-ацетил-глюкозамина, полученных при
гидролизе хитина, а также глюкозамина, образованного при гидролизе
хитозана;
9-13-мерных
линейных
олигогалактуронидов,
образующихся
при
гидролизе
пектиновых
веществ;
декагалактуронида
с
4—
5
ненасыщенным
концевым
галактуронозильным остатком; олигогалактуронозидов со степенью
полимеризации 2-6, проявляющих определенную активность [Ryan,
1987].
Опубликованы данные о полученных из гемицеллюлоз фи-
зиологически активных ксилоглюканах со степенью полимеризации 8-9
[McDougall, Fry,
1990; 1991], хитобиозе, хито-триозе и хитотетрозе
[Roberts,
Selitrennikoff,
1988], разветвленных ксилоглюкановых
фрагментах с формулой Глю(4)-Кси(3)-Гал(1 или 2)-Фук [McDougall,
Fry, 1989; Kiefer et al.,
1989] и их природных О-ацетилированных
производных [Kiefer et al., 1989]. Было установлено, что наивысшей
фи-тоалексининдуцирующей активностью обладает разветвленный р-
глюкозид. Химическая модификация этого оли-госахарина или
изменение характера ветвления приводили к уменьшению
элиситорных свойств.
Изучение механизма действия олигосахаридов на растения
позволило установить, что спектр ответных реакций зависит от
концентрации и структуры исследуемых веществ. Различные
олигосахаридные элиситоры проявляют наивысшую активность при
разных концентрациях. Например, индукция синтеза защитных
соединений (хитиназ) в культуре клеток риса была максимальной при
концентрации N-ацетилхитогексаозы 1 мкг/мл, в то время как для
достижения того же эффекта в случае ламинарингексаозы
(фрагмента (3-1,3-глюкана) потребовалась в 10 раз большая
концентрация [Inui et al., 1997].
Обнаружено, что степень устойчивости растений к патогену
определяется (наряду с другими факторами) соотношением различных
полисахаридов клеточных стенок растений. Об этом можно судить на
основании сравнения устойчивой и восприимчивой к патогену
Colletotrichum linde-
muthianum
линий бобов, которые подверглись действию эн-
дополигалактуроназы патогена [Boudart et al., 1998]. Были
выделены олигомерные фрагменты пектина; оказалось, что в
них у устойчивого сорта преобладают остатки нейтральных
Сахаров, а у неустойчивого - галактуронатные.
Недавно получены результаты, свидетельствующие, что
олигогалактуронатные фрагменты образуются в растениях не
только под влиянием пектиндеградирующих ферментов
патогенов, но и в результате экспрессии генов полигалактуроназ
в клетках хозяина в ответ на системин и олигосахаридные
элиситоры [Bergey et al., 1999].
Привлекает внимание разнонаправленность регуляции
защитного ответа клеток продуктами деградации полисахаридов
клеточных стенок [Boudart et al., 1995]. Оказалось, что
небольшие олигогалактурониды со степенью полимеризации 2-3
являются
активными
элиситорами,
а
фрагменты
рамногалактуроновых
пектинов
с
большой
степенью
полимеризации - супрессорами образования гидроксипро-линовых
белков клеточных стенок. Иначе говоря, деграда-ционные
процессы в клеточных стенках, вызванные патогенами, могут
регулировать
(в
результате
осуществления
сложной
последовательности реакций сигнальных систем клеток)
биосинтетические
процессы,
повышающие
устойчивость
клеточных стенок за счет накопления гидроксипро-линовых
белков и образования между ними ковалентных связей.
Фукозосодержащие фрагменты ксилоглюкана (три- и
пентасахариды) обладали иммуносупрессорными свойствами, но
при замене ксилозы на другой моносахарид изменяли
супрессорную активность на элиситорную [Ильинская и др., 1997].
Лишение олигосахарида фукозы лишало его как супрессорных,
так и элиситорных свойств. Низкие активные дозы и высокая
селективность специфических супрессоров свидетельствуют о
рецепторном характере их действия [Озерецковская, 2001].
Имеются и другие примеры продукции патогенами не только
элиситоров, но и супрессоров защитных реакций растений. Так,
пикносгюры Mycosphaerella pinodes выделяли оба типа таких
соединений [Yamada et al., 1994].
Необходимо отметить, что олигосахаридные фрагменты
полисахаридов клеточных стенок растений и грибов от-
носят к расонеспецифичным элиситорам, вызывающим не-
специфичные защитные ответы со стороны инфицируемых
растений. Это вполне объяснимо, так как в ходе деградации
полисахаридов образуется широкий спектр олигосахаридов, у
которых очень слабо выражена видовая специфика патогена
или хозяина. В то же время расо-специфичными являются
белковые (или пептидные) факторы вирулентности бактерий,
которые узнаются "своими" рецепторами клеток растений
[Blumwald et al.,
1998]. Последний тип взаимодействия получил
название генетического пинг-понга, или взаимодействия "ген-
на-ген", поскольку специфика элиситора или рецептора
определяется кодирующими их генами, а устойчивость или
восприимчивость растений к патогену - способностью
рецептора узнавать элиситор.
Для исследования механизмов ответа клеток растений на
действие элиситоров часто используют не индивидуальные
олигосахариды, а смесь олигосахаридов, образующуюся при
гидролизе полисахаридов клеточных стенок патогенных грибов
[Ayres et al., 1976; Shirasugi, Misaki,
1992; и др.]. Такой подход
оправдан, если учесть, что даже в первые моменты
инфицирования патогенами на клетки растений может
действовать не один, а несколько элиситоров. Кстати, имеется
сравнительно мало работ, посвященных исследованию
особенностей действия нескольких элиситоров одновременно.
Например, показано, что элиситины параситице-ин и
криптогеин, так же как олигосахаридные элиситоры из
клеточных стенок, вызывают быструю активацию проте-
инкиназы 48 кДа SIP-типа и фенилаланинаммоний-лиазы у
табака. В то же время именно элиситины, а не олигосахариды
активировали протеинкиназу 40 кДа [Zhang et al., 1998]. Глюкан
и Са
2+
усиливали влияние арахидоната и эйкозапен-таеноата. Тот
факт, что ЭГТА (специфический лиганд Са
2+
)
ингибировал
синтез фитоалексинов, дает возможность утверждать, что ионы
кальция играют важную роль в регуляции осуществления
защитной функции растений. Не исключено, что сигнальными
веществами являются и продукты деградации белков
клеточных стенок, богатых оксипроли-новыми остатками и
содержащих олигогликозильные ответвления.
РЕЦЕПТОРЫ ЭЛИСИТОРОВ
Во введении уже упоминалось, что рецепторы элиситорных
сигналов могут располагаться и в клеточной мембране, и в цитозоле,
и в ядре, но нас особенно интересует первый, наиболее
распространенный случай, когда элиситор сам не проникает в клетку,
а взаимодействует с внеклеточной частью белкового рецептора
плазмалеммы, что и является первым звеном сложной цепи
сигнальных событий, завершающихся ответом клетки на
изменившиеся условия существования. Количество молекулярных
антенн одного вида рецепторов плазмалеммы клетки, по-видимому,
может достигать нескольких тысяч. Число видов молекулярных ан-
тенн остается неизвестным, но можно утверждать, что у них
унифицированы основные свойства структуры. Они имеют три
основных домена: внешний вариабельный N-концевой домен
(акцепторный по отношению к элиситорам), трансмембранный с
повышенным содержанием гидрофобной аминокислоты лейцина и
цитоплазматический вариабельный С-концевой домен, от структуры
которого чависит передача сигнального импульса в ту или иную сиг-
нальную систему. Рецептор может быть специфичным только для
одного вида элиситора или для группы родственных (например,
олигомерных) элиситоров. Описано несколько типов рецепторных
белков клеточных мембран у животных [Schenk, Snaar-Jagalska, 1999]:
у одних рецепторов трансмембранная цепь белка лишь один раз
пересекает мембрану, у других (серпентиновых) - семь раз, у третьих
изаимодействие с лигандом-элиситором приводит к образованию
гомо- или гетеродимера (олигомера), который и является первичным
преобразователем внешнего сигнала. Структура рецепторных
белков плазмалеммы растений изучена в меньшей степени, но
принципы их построения те
Рис. 4. Схема структуры двухкомпонентного рецептора сигнальных
систем [Lohrmann, Harter, 2002]
а -
простой рецептор;
б —
многозвенный рецептор. 1 - "входной" домен; 2
-
автокиназный гистидиновый домен;
3 -
воспринимающий домен регулятора
ответа;
4 -
"выходной" домен регулятора ответа; 5 - гисти-динсодержащий
фосфатпереносящий домен; А - остаток аспарагиновой кислоты; Г - остаток
гистидина; Р - остаток ортофосфата, переносимый в ходе киназных
реакций. Внешний сигнал обозначен в виде символа молнии
же, что и у животных клеток. Привлекает особое внимание
двухкомпонентная рецепторная структура, обладающая
свойствами протеинкиназы (рис. 4). Сначала она была об-
наружена у прокариотических организмов, а затем в изме-
ненном виде - и у эукариотических организмов, в том числе у
растений, например у арабидопсиса [Loomis et al., 1997]. Если в
первом случае два компонента - собственно рецепторный и
исполнительный - представляют собой самостоятельные, хотя и
взаимодействующие, белковые молекулы, то во втором - это
два домена одного и того же белка.
Подтверждением роли взаимодействия элиситор-рецептор в
передаче и преобразовании сигналов от патогенов в геном
было установление положительной корреляции между
способностью элиситоров нековалентно соединяться с
рецепторами и вызывать защитную реакцию клеток, например
накопление фитоалексинов [De Wit et al., 1997]. Связывание с
внешним участком белковых рецепторов плазмалеммы [Hang et
al.,
1994; Проценко, 1995; Mithofer et al.,
1996; Nennstiel et al.,
1998] было характерным для олигоса-харидных
элиситоров клеточных стенок растений [Cosio et al., 1990; Klusener,
Weiler,
1999], олигохитиновых фрагментов клеточных стенок грибов
[Baureithel et al., 1994; Y. Ito et al.,
1997], элиситорных белков
[Nurnberger et al., 1994; Wendehenne et al., 1995; De Wit et al., 1997;
Kamoun et al., 1998; Lauge, De Wit, 1998; Warren et al., 1998; Lebrun-
Garcia et al.,
1999] и пептидов [Kooman-Gersmann et al., 1998; Nennstiel
et al.,
1998], сиринголидов [Ji et al., 1998], стрессовых фито-гормонов
системина [Schaller, Oecking, 1999], этилена [Savaldi-Goldstein, Fluhr,
2000; и др.], абсцизовой кислоты [Anderson et al., 1994; MacRobbie et
al.,
1997; Адамовская и др., 2000; Munnik, 2001], метилжасмоната
[Lobler, Lee, 1998],
брассиностероидов [Braun, Walker, 1996; Li,
Chory, 1997].
В последнем случае имеется принципиальное отличие
от клеток животных, у которых рецепторы стероидных гормонов
находятся в ядре.
Выделен целый ряд мембранных белковых рецепторов
элиситоров. Для этого после связывания рецепторами меченых
элиситоров мембраны выделяются из клеток, разрушаются и белок с
удерживаемым
элиситором
идентифицируется
по
его
радиоактивности. Обнаружено, например, что рецептором системина
является белок 160 к Да [Meindl et al., 1998], бактериального
элиситора флагеллина - мембранный белок 115 кДа [Meindl et al.,
2000], гликопротеина из клеточной стенки фитофторы, имеющего
сигнальный оли-гопептидный фрагмент из 13 остатков
аминокислот -91 кДа [Nurnberger et al., 1997] или 100 кДа [Nennstiel
et al., 1998].
Концепция молекулярного взаимодействия "ген-на-ген" [Flor,
1971] патогенов и растений часто предполагает непрямое
(опосредованное сигнальными системами) узнавание гена
авирулентности патогена (avr gene) соответствующим ему геном
устойчивости (R gene) растительной клетки.
Молекулярной основой "ген-на-ген" взаимодействия патогена и
растения явилась модель элиситор-рецептор [Gabriel, Rolfe, 1990].
Рецепторные белки были выделены и очищены [Mithofer et al., 1996],
а гены, кодирующие эти белки, клонированы [Umemoto et al., 1997].
Имеется ряд обзорных работ, посвященных структуре
рецепторных белков
АТФ
АТФ
[Bent, 1996; Backer et al., 1997; Hammond-Kosack, Jones, 1997].
Оказалось, что многие из них имеют сходные консервативные
обогащенные лейцином повторы (от 12 до 21), необходимые
для белок-белкового взаимодействия. Эти повторы
обеспечивают
связывание
рецепторного
R-
белка
с
элиситорами [Bent, 1996]. Исследования мутантов с нарушенной
устойчивостью к патогенным бактериям, вызванной
замещением глутамата на лизин в одном из лейциновых
повторов, подтверждают, что межбелковое взаимодействие
является важным звеном преобразования и передачи
элиситорных сигналов в геном клетки [Warren etal., 1998].
В настоящее время принято несколько моделей структуры
рецепторов и способов передачи элиситорного сигнала снаружи
внутрь клетки растения. У арабидопсиса обнаружено семейство
из 35 серпентиновых рецепторов [Devoto et al., 1999]. Рецептор
воспринимает сигнальную молекулу N-терминальным участком
на внешней стороне мембраны, а передает сигнальный импульс в
цитоплазму внутренним С-участком. Связывание сигнальной
молекулы приводит к изменению конформации всей молекулы
рецептора, что обусловливает активацию ассоциированных с
ним в цитоплазме белковых молекул, осуществляющих
преобразование сигнала.
Одним из принципиально важных механизмов, используемых
в сигнальных системах клеток, является димериза-ция
(олигомеризация) некоторых белковых интермедиатов этих
систем [Heldin, 1995]. В качестве примеров можно привести
димеризацию рецепторов после связывания с ними лигандов,
димеризацию некоторых интермедиатов сигнальных систем,
димеризацию факторов регуляции транскрипции. Наблюдается
как гомо-, так и гетеродимеризация (олигомеризация). У
животных механизм димеризации тирозин-киназных рецепторов
клеточной мембраны характерен, например, для трансдукции
полипептидных гормонов (ростовой фактор плаценты и др).
Серин/трео-нин-киназные
рецепторы
функционируют
подобным же образом. Мало известно о том, какие формы
рецепторов -мономерные, гомодимерные или гетеродимерные -
принимают участие в преобразовании элиситорных сигналов в
клетках растений. Предложена схема гетеродимерного ре-
цептора [Trotochaud et al., 1999], который активируется ли-
гандом, что приводит к фосфорилированию цитозольного
киназного домена и активации ассоциированных с ним
белков, часть из которых передает сигнальный импульс
следующим интермедиатам сигнальных систем. Одним из
ассоциированных белков является протеинфосфатаза,
инактивирующая киназный домен.
У животных клеток тирозин-киназный рецептор состо-
ит из трех доменов - экстраклеточного, трансмембранно-
го и обращенного в цитозоль. Специфика структуры пер-
вого и третьего доменов (заключающаяся, например, в
том, что они не способны фосфорилироваться) определя-
ет, с одной стороны, с каким гормоном взаимодействует
рецептор и, с другой, какие сигнальные системы "включа-
ет" этот гормон. Взаимодействие внешнего домена с сиг-
нальным лигандом приводит к автофосфорилированию
тирозинового остатка этого домена, что повышает его ки-
назную активность. Обычно протеинкиназы содержат не-
сколько мест фосфорилирования. Это относится и к ре-
цепторным протеинкиназам. Цитоплазматический домен
мономерной формы рецептора фактора роста у животных
клеток содержит, по крайней мере, девять автофосфори-
лируемых тирозиновых остатков [Heldin, 1995]. Один из
них - Тир 857 - важен для проявления киназной активности,
а восемь других определяют специфику связи с молекула-
ми, преобразующими сигнал. Есть основания полагать,
что те же принципы функционирования рецепторов ис-
пользуются и в клетках растений, однако в них найдены
главным образом серин-треониновые рецепторные проте-
инкиназы, участвующие в патогениндуцированных защит-
ных реакциях растений.
В настоящее время 18 рецепторподобных серин-треони-
новых протеинкиназ арабидопсиса подразделяют [Hardie,
1999] в зависимости от структуры их экстраклеточного до-
мена на четыре группы:
1. Протеинкиназы с доменами, обогащенными лейцино-
выми повторами, обычно характерными для фрагментов,
участвующих в белок-белковых взаимодействиях. У живот-
ных такие рецепторы связывают полипептидные (или пеп-
тидные) сигнальные молекулы. Предполагают, что к этой
группе относятся рецепторы брассинолидов с обогащенны-
ми лейцином повторами в N-концевой надмембранной об-
ласти [Li, Chory, 1997; Cosgrove et al., 2000]. У томата был
выделен ген аналогичного белка, но без цитозольного ки-
назного домена [Jones et al., 1994].
2.
Протеинкиназы с S-доменами, в которых имеется
много остатков цистеина.
3.
Протеинкиназы с доменами, обогащенными лейцино-
выми повторами, но, в отличие от первой группы, связан
ные с лектинами. Это создает возможность рецепции этими
протеинкиназами олигосахаридных элиситоров.
4.
Протеинкиназы, связанные с клеточной стенкой.
В эти группы не вошли некоторые протеинкиназы, в
частности протеинкиназа, имеющая экстраклеточный
домен, связывающийся с белком, который накапливается
в межклеточном пространстве при инфицировании расте-
ний различными патогенами. Как уже отмечалось, многие
рецепторные киназы могут взаимодействовать с другими
белками, и это обеспечивает как большее разнообразие
связываемых химических сигналов, так и регуляцию этих
процессов. Возможно, упомянутая протеинкиназа является
одним из рецепторных белков, отвечающих за защитные
реакции растений.
Одним из древних, консервативных и широко распро-
страненных типов мембранных рецепторов являются
трансмембранные автофосфорилирующие гистидинкина-
зы [Loomis et al., 1997], способные активироваться широ-
ким кругом элиситорных сигнальных молекул. Связыва-
ние элиситора внешним, выступающим над липидным сло-
ем плазмалеммы N-концевым участком рецептора вызы-
вает изменение его конформации и автофосфорилирова-
ние гистидинового остатка (см. рис. 4). Затем остаток фо-
сфорной кислоты передается на аспартатный остаток вну-
треннего (цитоплазматического) участка белка [Chang,
Meyerowitz, 1995; Hahn, 1996; Chang, Stewart,
1998], что так-
же вызывает изменение его конформации и, вследствие
этого, активацию ассоциированного с рецептором фер-
мента (непосредственно или через посредников - чаще
всего G-белки). Активация фермента - важнейшее звено
сигнальной системы, целью которой является передача и
умножение элиситорного сигнала, завершающиеся экс-
прессией защитных генов и появлением белков, которые
определяют ответ клеток и растения в целом на инфици-
рование и воздействие элиситоров. Специфичность рецепторов к
элиситорам определяется вариабельным внешним N-концом
белка, а специфичность к ферменту - его внутренним С-концом.
Показано, что этот тип рецепторов взаимодействует со
стрессовым фитогормоном этиленом IBleecker et al., 1998;
Hua, Meyerowitz, 1998; Theologis, 1998; Woeste, Kieber, 1998;
Alonso et al., 1999; Chang, Shockey, 1999; A.E. Hall et al., 1999;
Hirayama et al., 1999; Cosgrove et al., 2000; Savaldi-Goldstein, Fluhr,
2000; и др.], который элиситирует защитные реакции клеток
растений. Клонирование и определение первичной структуры
гена гистидинового рецептора у арабидопсиса показали, что его
N-
концевой мембранный домен похож на транспортеры ионов
металлов [Alonso et al., 1999].
В настоящее время описан трансмембранный рецепторный
белок, N-конец которого взаимодействует с клеточной стенкой, а
С-конец находится в цитоплазме и обладает свойствами серин-
треониновых протеинкиназ [Kohorn et al., 1996]. По мнению
авторов, этот рецепторный белок осуществляет сигнальные
функции, обеспечивая сигнальный контакт между клеточной
стенкой и внутренним содержимым клетки.
Так как взаимодействие сигнальной молекулы и рецептора
осуществляется без возникновения между ними ковалентных
связей, то нельзя исключить возможности их расстыковки. С
другой стороны, ассоциация этих двух типов молекул может
быть достаточно прочной, а изменение конформации
рецепторного белка создает предпосылки облегчения атаки на
него протеаз, распознающих белки с нарушенной структурой и
разрушающих эти молекулы. В связи с этим большое значение
приобретает способность клеток достаточно быстро
восстанавливать численность рецепторов различных типов.
Обращают на себя внимание опыты, посвященные изучению
влияния ингибиторов синтеза белков на интенсивность
связывания элиситоров рецепторными белками плазмалеммы.
Оказалось, что обработка клеток циклогексимидом - ингибито-
ром синтеза белков с участием цитоплазматических рибосом,
вызывала достаточно быстрое снижение уровня связывания
клетками системина, что свидетельствует о вы-