ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.12.2019
Просмотров: 3413
Скачиваний: 3
СИГНАЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ ЦИТОСКЕЛЕТА
От цитоскелета (тубулиновых микротрубочек и актино-вых микрофиламентов) зависит морфогенез на клеточном уровне (ультраструктура клеток), осуществление пространственно-временного контроля роста, деления и дифференциации клеток [Васильев, 1996; Клячко, 1998; Медведев, Маркова, 1998]. Известно, что переориентация расположения микротрубочек под влиянием фитогормонов приводит к соответствующему изменению направленности отложения вновь синтезируемых микрофибрилл целлюлозы [Тар-чевский, Марченко, 1987; Tarchevsky, Marchenko, 1991] и параметров роста клеток, например, к замедлению или прекращению удлинения клеток и их утолщению. Это может происходить достаточно быстро. Например, переориентация микротрубочек в замыкающих клетках устьиц осуществляется 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 микротрубочки 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 метаболизма, 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 основных 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 мономерных белков, зависит движение цитозоля, органоидов и очертания клеток растений, а также внутриклеточный транспорт ряда белков. Все типы микротрубочек и актиновых филаментов способны связываться латерально с помощью вспомогательных белков или с себе подобными или с другими типами структур. Белки цитоскелета и обслуживающие их белки имеют консервативные последовательности, характерные и для животных, и для растений (еще один пример универсальности молекулярной и надмолекулярной структуры). Микротрубочки образуются в два этапа: сначала путем димеризации а- и Р-тубулина, а затем димеры по-лимеризуются с образованием трубчатой структуры диаметром 22 нм. Вспомогательные МАР-белки (microtubules associated proteins) нескольких классов значительно снижают пороговую концентрацию тубулина, необходимую для сборки из него микротрубочек. Спиралевидные актиновые нити диаметром 6-7 нм образуются из однотипных актиновых субъединиц с затратой АТФ. Баланс между мономерными актиновыми белками и микрофибриллами обеспечивается вспомогательными белками - актин-деполимеризу-ющим фактором, кофилином и профилином. С помощью вспомогательного белка фодрина обеспечиваются латеральное взаимодействие нитей и появление пучков микрофибрилл, а вспомогательный белок фил амин участвует в образовании сетчатой (решетчатой) структуры, скрепляя филаменты в местах их пересечения друг с другом. Микротрубочки и микрофиламенты способны участвовать в перемещении 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 функционирования, образования и деградации микротрубочек и микрофибрилл, а также их реориентации являются мишенями ин-термедиатов некоторых сигнальных систем клеток. Это относится к повышению в цитозоле концентраций протонов, ионов кальция, Са2+-кальмодулина, активности МАР-киназ. Могут регулировать процессы полимеризации актина и локализации в клетках актиновых нитей ГТФ-связывающие
белки, протеинкиназы, протеинфосфатазы, фосфоинози-тидфосфатазы.
Показано, что актин-деполимеризующий фактор изменяет активность под влиянием фосфорилирования с помощью Са2+- зависимых протеинкиназ. У арабидопсиса был выделен кальмодулинсвязывающий моторный вспомогательный белок кинезин, причем Са2+-кальмодулиновый комплекс этого белка с кинезином ингибировал способность микротрубочек участвовать в процессах внутриклеточного движения. Фосфорилирование а- и |3-тубулинов активировалось Са2+-кальмодулинзависимыми и цАМФ-зави-симыми протеинкиназами, а также протеинкиназой С [Blume et al., 1997].
Абсцизовая кислота вызывала быструю деполимеризацию кортикальных актиновых нитей в замыкающих клетках устьиц, причем этот процесс был опосредован входом в клетки ионов кальция [Hwang, Lee, 2001]. Деполимеризация медиировалась также протеинкиназами (о чем свидетельствовало ее подавление стауроспорином).
Особое внимание привлекает установление факта удивительного 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 активность), то этот факт позволяет допускать возможность очень тесной связи даже между начальными звеньями сигнальных систем и цитоскелетом.
Димеры тубулина имеют особенно высокое сродство с ос-субъединицами G-белков [Крутецкая, Лонской, 1994]. Обнаружено, что активатор G-белков мастопаран вызывает (предположительно, при участии фосфоинозитольной сигнальной системы) переход вспомогательного белка про-филина (взаимодействующего с мономерной формой актина [McCurdy et al., 2001]) из ядра в цитоплазму у клеток корней кукурузы и связанное с этим изменение структуры актиновых микрофиламентов [Baluska et al., 2001].
Выделен класс белков - пипмодулинов (связывающихся с фосфоинозитидными фосфолипидами клеточной мембраны), контролирующих освобождение фосфоинозитолбис-фосфата (Р1Р2) с помощью фосфолипазы С [Lanier, Gertler,
2000] и зависящую от Р1Р2 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 Са2+-связывающих белков вблизи плазматической и ядерной мембран [Олиневич и др., 2001], позволило 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 стабильны, что не может не отразиться на состоянии цитоскелета 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 повлиять 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 инфицирования растений патогенами, приведенные в обзорной работе [Nick, 1999]. Показано, что ядро клетки растения-хозяина начинает двигаться к месту контакта с клеткой гриба [Gross et al., 1993]. Движение ядра осуществляется с помощью актиновых микрофиламентов и обусловлено также локальной деполимеризацией кортикальных микротрубочек вокруг места контакта с грибом. Можно вызвать торможение движения ядра с помощью специальных препаратов, причем в этом случае грибы, которые не были способны инфицировать растение, становились патогенными [Kobayashi et al., 1997]. Авторы связывают это с ослаблением отложения каллозы на внешней поверхности плазма-леммы, в месте контакта с патогеном.
Исследование особенностей действия элиситоров крип-тогеина и олигогалактуронидов на цитоскелет клеток табака 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 регуляции функционирования кальциевых каналов цитоскеле-том [Thuleau et al., 1998].
Непатогенный мутант патогенного для риса гриба Magnaporthe grisea вызывал целый ряд защитных метаболических реакций и перестройку актинового цитоскелета [Хи et al., 1998].
Большой интерес вызывает информация о том, что глю-кановые фрагменты из клеточных стенок фитофторы вызывали снижение содержания мРНК одной из двух обнаруженных 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 причиной успешного проникновения бактерий Rhizobium в корневые 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 защитного механизма против патогенных грибов и бактерий. С другой стороны, вирусы могут использовать микротрубочки цитоскелета для передвижения от клетки к клетке через плазмодесмы [Heinlein et al., 1995], и в этом случае цитоскелет скорее способствует инфицированию растений, а не их защите.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ СО СТРЕССОВЫМИ ФИТОГОРМОНАМИ
При изучении механизмов влияния на растения различных патогенов и элиситоров было обнаружено, что они вызывают достаточно быстрое и интенсивное накопление так называемых стрессовых фитогормонов. К ним относят соединения различной химической природы: абсцизовую кислоту, этилен, жасмоновую кислоту (и метилжасмонат), салициловую кислоту (и метилсалицилат), брассиностероиды, системин.
Образовавшиеся стрессовые фитогормоны вызывают синтез различных защитных соединений и повышение устойчивости как в клетках, подвергшихся действию элиситоров (местная или локальная устойчивость), так и на удалении от них (системная устойчивость). Последнее объясняется способностью большинства фитогормонов транспортироваться на большие расстояния или вызывать в клетках появление транспортных вторичных элиситоров.
Стрессовый фитогормон абсцизовая кислота образуется в результате окисления и связаного с этим разрыва углеводородной 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.