Диссертация (1144823), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Молекулы этих белков(PHOTO1 и PHOTO2)связывающиефлавины.содержат домены LOV (light, oxygen, voltage),Вотличиеотвысшихрастений,укоторыхфотоморфогенез в большей степени обеспечивают фитохромы, у зеленой95водорослиChlamydomonasфоторегуляторамиreinhardtiiпроцессовфототропиныгаметогенезаиявляютсябиосинтезаосновнымихлоропластныхпигментов – ХЛ и каротиноидов [Im et al., 2006].В световой регуляции клеточных процессов у растений принимают участиеибелки,кодируемыегенамиPKS(1-4)(phytochromekinasesubstrate).Взаимодействие PKS с фотоактивированными формами фитохромов в цитоплазмеприводит к их фосфориллированию и дезактивации PHYA [Fankhauser et al.,1999]. Показано, также, что PKS1-4 необходимы для фототропизма гипокотилей,– они взаимодействуют с PHOTO1 [Lariguet et al., 2006]. Будучи участникамидвух путей передачи светового сигнала: от фототропинов и фитохромов, белкиPKS, по-видимому, обеспечивают их координацию [Schepens et.
al., 2008].Белки BLUF– древние фоторецепторы, найденные у прокариот и низшихэукариот. Это фотоактивируемые аденилат-циклазы, имеющие в своем составефоторецепторные домены F (Flavin adenine dinuleatide), связывающие флавины, икаталитические домены С (Cyclase). У Rhodobacter schaeroides этот белок,названный AppA (for activation of photopigment and puc expression) функционируеткак зависимый от синего света дерепрессор генов фотосинтетического генногокластера [Hegemann, 2008].1.7.3.
Регуляция светом. Посттрансляционный уровеньБелки-репрессоры фотоморфогенеза были обнаружены при анализе группымутантов арабидопсиса: cop/det/fus, проростки которых, в отличие от дикого типа,зеленели и формировали тилакоидные мембраны в темноте [Kwok et al., 1996].Ген COP1 (constitutive photomorphogenesis), клонировали с использованием ТДНК инсерционного мутанта [Deng et al., 1991; 1992], и в дальнейшем,установили, что кодируемый им белок является убиквитин-лигазой Е3, котораяфизически взаимодействует с фитохромами в клетках растений [Seo et al., 2004].В темноте COP1, связываясь в ядре с факторами транскрипции HY5, GATA2 иLAf1, запускает процесс их деградации через 23S протеосомы [Osterlund et al.,962000; Luo et al., 2010].
Под воздействием света он мигрирует из ядра в цитозол,тем самым, позволяя факторам транскрпции HY5 и GATA2 активироватьэкспрессию генов, существенных для фотоморфогенеза (рис. 1.24). В ядре COP1образуют комплексы c SPA (suppressor PhyA) - белками, описанными каксупрессоры фитохрома A, которые репрессируют фотоморфогенез черезсвязываниефакторовтранскрипциииPhyA[Laubinger,etal.,2004].Накопившиеся в ядре свободные формы PHYA после фосфорилированияузнаются комплексом COP1-SPA, и подвергаются протеолизу [Saijo et al., 2008].Известно 3 функциональные группы COP–белков: COP1, COP9 и COP10.Белковый комплекс Cop9 - сигналосома (CSN) - взаимодействует с COP1 иCOP10, регулируя активность убиквитин-протеосомной системы [Yanagawa et al.,2004].
Наличие в структуре COP1 сайтов для белок-белковых взаимодействийопределилостратегиюпоискамолекул,связанныхснимвпроцессефотоморфогенеза. Было обнаружено два таких ядерных белка: CIP7 и CIP4(COP1-interacting protein), активирующих биосинтез хлорофиллов [Yamamoto etal., 1998; 2001]. В реализации генетических программ адаптации растений к свету(зеленения, фотоморфогенеза, перенастройки метаболизмов азота и углерода),COP-белки, по-видимому, выполняют функции светорегулируемой системыубиквитин-зависимого протеолиза факторов транскрипции: Pif1-7, HY5, GATA2 идругих, необходимых для этих процессов, молекул.После абсорбции света фоторецепторами системы передачи световогосигналавзаимодействуютсдругимисигнальнымипутями,включаягормональный статус, циркадные ритмы и сигналы хлоропласта.
Гормональныйконтроль COP1-зависимой регуляции осуществляют гиббереллины [Alabadi et al.,2008].1.7.4. Белки ELIP регулируют уровень синтеза хлорофилловФотосинтетические пигменты – хлорофиллы и каротиноиды локализованы втилакоидных мембранах хлоропластов и образуют комплексы с белками двух97типов: способных связывать только хлорофилл а (ХЛа-белки), и хлорофиллы а иб (ХЛa/b-белки). Пластидный геном кодирует ХЛа-связывающие белки, которыевходят в состав реакционных центров фотосистем: I и II (ФСI и ФСII). ХЛ а/ббелки - CAB (Chlorophyll a/b) локализованы в светособирающих комплексахфотосистем и кодируются ядерными генами. К этому семейству принадлежатбелки светового стресса ELIP (early light-induced proteins), участвующие врегуляции уровня синтеза хлорофиллов (Adamska, 1997).
Они были обнаружены угороха как белки, транскрипты генов которых первыми появляются в процессезеленения – при переносе этиолированных проростков из темноты на свет, иисчезают прежде, чем закончится фотоморфогенез [Meyer and Kloppstech, 1984].Гены ELIP консервативны и обнаружены у большого числа растений, а в геномеарабидопсиса они представлены в двух копиях: ELIP1 и ELIP2 [Casazza et al.,2005]. У трансгенных растений арабидопсиса, содержащих бинарный вектор скДНК гена ELIP2 под промотором 35S, сверхэкспрессия этого гена ведет кредукции активности двух узловых шагов в биосинтезе ХЛ: синтезе АЛК и Mgпротопорфирина IX, вследствие чего уменьшается уровень содержания ХЛ[Tzvetkova-Chevolleau et al., 2007]. Возможно, регуляторная роль белков ELIPсостоит в контроле уровня содержания свободных порфиринов в мембранахрастительной клетки на свету.
Появляясь в ответ на фотоокислительный стресс образование активного кислорода в хлоропласте в условиях освещения, ониподавляют биосинтез потенциальных фотосенсибилизаторов – свободныххлорофиллов.1.7.5. Координация экспрессии генов ядра и хлоропласта в процессебиосинтеза хлорофилловХлоропласты арабидопсиса содержат около 3000 белков, большинство изкоторых (более 95%), включая ферменты синтеза хлорофиллов, кодируютсяядернымигенами.Процессыформированияифункционирования98фотосинтетических мембран зависят от координированной экспрессии генов ядраи пластид в ответ на воздействия факторов внешней среды (свет, питание,температура) и внутриклеточных сигналов (активные формы кислорода, сахара,интермедиаты синтеза ХЛ и редокс-активные молекулы) [Kleine et al., 2009].Взаимодействие ядра и хлоропластов фотосинтезирующей клетки обеспечиваетсядвойной системой генетической регуляции:кодируемые ядром белки ицитоплазматические факторы, поступая в хлоропласт, влияют на экспрессиюгенов хлоропласта, а сигналы, генерируемые хлоропластом, регулируютэкспрессию генов ядра.
Многочисленные исследования посвящены изучениюкодируемых ядром молекул, влияющих на экспрессию генов хлоропласта [Barkanand Goldschmidt-Clermont, 2000]. Активно ведутся поиски факторов пластид, такназываемых «сигнальных молекул» хлоропластного происхождения, которыерегулируют экспрессию ядерных генов [Юрина и Одинцова, 2007]. Длявыяснения природы этих сигнальных молекул наиболее эффективным оказалсягенетический подход - изучение мутантов с нарушенной регуляцией биосинтезапигментов.Влияние ядерного генома на экспрессию генов хлоропласта. Геномыпластид зеленых водорослей и высших растений – это кольцевые молекулы,которые содержат 90-120 генов, кодирующих компоненты фотосинтетическихмембран иаппарата транскрипции-трансляции хлоропласта.
Белковые комплексыфотосистем (ФСI и ФСII), цитохром b6f, АТФ-синтетаза, НАДФ-дегидрогенеза,рибулозо-бифосфат карбоксилаза (Rubisco), и хлоропластные рибосомы состоятиз белков, кодируемых хлоропластной и ядерной ДНК [Одинцова и Юрина, 2005].Под двойным генетическим контролем находится и транскрипция генов пластид.В хлоропластах растений обнаружены РНК-полимеразы двух типов [Hess andBörner, 1999].
Одна из них - PEP (plastid encoded RNA-polymerase) преимущественно ведѐт транскрипцию генов БФ [De Santis-MacIossek et al., 1999].Она состоит из закодированной в хлДНКкоровой субъединицыи сигма-факторов SIG1-6, кодируемых ядерными генами [Fujiwara et al., 2000]. Вторая99РНК-полимераза, - кодируемая ядром NEP (nuclear encoded RNA-polymerase), транскрибирует гены «домашнего хозяйства» (house-keeping genes), необходимыедляосуществленияРегуляторныйматричныхмеханизм,процессовобеспечивающий[Hajdukiewiczвetхлоропластеal.,1997].сборкуифункционирование молекул, имеющих в своем составе продукты двух геномов,состоитвкоординированнойэкспрессиикодирующихихядерныхихлоропластных генов [Шестаков, 1998; Юрина и Одинцова, 2007]. Изучениемутантов арабидопсиса, хламидомонады и кукурузы с нарушенной экспрессиейгенов хлоропласта позволило найти ядерные гены, отвечающие за регуляциюхлоропластных геномов.
Продукты этих генов обнаруживают способность ксвязыванию ДНК и РНК хлоропластов [Barkan, 1998].Каждый шаг в экспрессии генов пластид: транскрипцию, сплайсинг,процессинг и деградацию РНК, также как трансляцию и посттрансляционныемодификации белков, проходит с участием кодируемых ядром регуляторныхфакторов [Barkan and Goldschmidt-Clermont, 2000]. К ним относятся иоказывающие влияние на процессы хлорофиллобразования факторы транскрипциисемейства «Whirly» [Prikryl et al., 2008], фактор трансляции ATAB2 [Barneche et al.,2006]и киназы CSK [Puthiyaveetil et al., 2008].ДНК- и РНК-связывающиерастительные белки семейства Whirly регулируют экспрессию генов пластид(Krause et al., 2005). Утрата белка WHY1 в результате выключения кодирующегоего гена Why1 у кукурузы приводит к появлению белых мутантов, лишенныхпластидных рибосом [Prikryl et al., 2008]. Ядерный ген арабидопсиса ATAB ортолог обнаруженного у хламидомонадыгена TAB2 [Dauvillée et al., 2003],кодирует РНК-связывающий белок, активируемый синим светом,– позитивныйрегулятор трансляции в хлоропласте [Barneche et al., 2006].
Отсутствие ATAB умутантов ведет к блокированию биосинтеза хлорофилла и биогенеза мембранхлоропласта [Barneche et al., 2006]. Вероятно, этот белок служит компонентомсигнальной системы световой индукции трансляции в хлоропласте. В регуляцииэкспрессии генов хлоропластов участвует и кодируемая ядром сенсорная киназа100СSK(chloroplastsensorkinase)[Puthiyaveetiletal.,2008],-элементдвухкомпонентных систем передачи регуляторных сигналов, известных упрокариот, включая цианобактерии [Ashby and Houmard, 2006].
В хлоропластахарабидопсиса СSK по-видимому, вовлечена в редокс-контроль транскрипции[Puthiyaveetil et al., 2008].Хлоропластный контроль экспрессии ядерных генов. У мутантоврастений и зеленых водорослей с нарушениями функций хлоропластов, экспрессияядерных генов, кодирующих белки фотосинтеза (БФ), репрессирована [Mayfieldand Taylor, 1984]. Впервые этот феномен был описан в 1979 году при изучениипигментных мутантов ячменя albostrains и Saskatoon, листья которых имели белуюили крапчатую (с белыми участками) окраску [Bradbeer et al., 1979]. Иххлоропласты были лишены рибосом, а активность кодируемых ядром генов БФ, подавлена.Мутантырастений,лишенныекаротиноидов,основных-фотопротекторов клетки, демонстрировали сходный фенотип: под воздействиемсвета у них, в результате индуцированного хлорофиллами фотоокисления,разрушаются тилакоидные мембраны хлоропластов, и резко снижается уровеньтранскрипции ядерных генов: CAB и RBCS - малой субъединицы Rubisco[Batschauer et al., 1986; Oelmuller and Mohr, 1986; Oelmuller, 1989].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
