У растений нет глаз и ушей, но они все еще могут видеть, слышать, обонять и реагировать на экологические сигналы и опасности, особенно на вирулентные патогены. Они делают это с помощью сотен мембранных белков, которые могут ощущать микробы или другие стрессы.
Только небольшая часть этих чувствительных белков изучалась с помощью классической генетики, и знаний о том, как эти датчики функционируют путем образования комплексов друг с другом, мало. Теперь международная команда исследователей из четырех стран, включая Шахида Мухтара (Shahid Mukhtar), доктора философии и аспиранта Тимоти Хоутона (Timothy "TC" Howton) из Университета Алабамы в Бирмингеме, создала первую сетевую карту для 200 из этих белков. На карте показано, как несколько ключевых белков действуют как ведущие узлы, критичные для целостности сети, а на карте также отображаются неизвестные взаимодействия.
«Это новаторская работа по выявлению первого слоя взаимодействий между этими белками», - сказал Мухтар, доцент кафедры биологии в колледже искусств и наук. «Понимание этих взаимодействий может привести к путям повышения устойчивости растений к патогенам или к другим стрессам, таким как жара, засуха, соленость или холодный шок. Это также может стать дорожной картой для будущих исследований ученых всего мира».
Международную команду, базирующуюся в Европе, Канаде и Соединенных Штатах, возглавлял Юсеф Белхадир (Youssef Belkhadir), доктор философии, Института молекулярной биологии растений им. Грегора Менделя, Вена, Австрия. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Новая карта сети полного взаимодействия была сосредоточена на одном из наиболее важных классов этих чувствительных белков - богатых лейцином повторных рецепторных киназах (LRR-RKs) или LRR-рецепторных киназах, которые структурно сходны с человеческими Толл-подобными рецепторами.
LRR-рецепторные киназы представляют собой семейство белков как у растений, так и у животных, которые в значительной степени ответственны за восприятие окружающей среды. В растениях они имеют внеклеточный домен белка, выходящий за пределы клеточной мембраны, который может распознавать химические сигналы, такие как гормоны роста или части белков от патогенов. Затем рецепторные киназы инициируют реакции на эти сигналы внутри клетки, используя внутриклеточный домен белка.
Модельное растение Arabidopsis thaliana содержит более 600 различных рецепторных киназ (в 50 раз больше, чем у людей), которые имеют решающее значение для роста растений, развития, иммунитета и стрессовой реакции. До сих пор только малая их доля группа имела известные функции, и мало что известно о том, как рецепторы могут взаимодействовать с каждым для координации ответов на часто конфликтующие сигналы.
Резуховидка (резушка) Таля (лат. Arabidopsis thaliana) — растение, вид рода резуховидка (Arabidopsis) семейства капустные (Brassicaceae). В связи с относительно коротким циклом развития является удобным модельным организмом в молекулярно-биологических, генетических и физиологических исследованиях, где известна под транслитерацией родового латинского названия — арабидопсис. Геном арабидопсиса является одним из наименьших геномов цветковых растений и первым секвенированным геномом растения. Арабидопсис — популярный объект для исследования жизнедеятельности растений, в том числе развития цветка и фототропизма.
Для исследования природы, в лаборатории Belkhadir протестировали взаимодействия между внеклеточными доменами рецепторов парным образом, работая с более чем 400 внеклеточными доменами LRR-рецепторных киназ и выполняя 40 000 тестов взаимодействия.
Положительные взаимодействия были использованы для создания карты взаимодействия, показывающей, как эти рецепторные киназы взаимодействуют друг с другом, в общей сложности 567 высокоуровневых взаимодействий.
Лаборатории Дэвида Гутмана (David Guttman), доктора философии и Даррела Дево (Darrell Desveaux), доктора философии, в Университете Торонто, Канада, проанализировали карту взаимодействия рецепторов с использованием алгоритмов для генерации различных гипотез, и эти предсказания были подтверждены в лабораториях Юсефа Белхадира и Сирила Зипфеля, доктора философии, в Лаборатории Сейнсбери, Норвич, Великобритания.
В Университете Алабамы в Бирмингеме Мухтар и Хоутон тестировали 372 внутриклеточных домена LRR-рецепторных киназ, у которых внеклеточные домены показали высокоуровневые взаимодействия, чтобы убедиться, что внутриклеточные домены также проявили сильные взаимодействия. Более половины случаев , предполагая, что образование этих рецепторных комплексов требуется для восприятия сигнала и последующей передачи сигнала. Это также указывает на валидацию биологического значения взаимодействий внеклеточного домена.
Лаборатория Мухтара клонировала почти все внутриклеточные домены LRR-рецепторных киназ Arabidopsis. «Это часть усилий, чтобы понять, как растения реагируют на патогены или как патогены захватывают иммунную систему, область нашего интереса», - сказал Мухтар.
Исследование включало два крупных сюрприза, говорит Адам Мотт (Adam Mott), доктор философии, Университет Торонто. Во-первых, LRR-рецепторные киназы с небольшими внеклеточными доменами чаще взаимодействуют с другими LRR-рецепторными киназами, чем те, которые имеют большие домены. Это говорит о том, что небольшие рецепторные киназы эволюционировали для координации действий других рецепторов. Во-вторых, исследователи идентифицировали несколько неизвестных LRR-рецепторных киназ, которые являются критическими для целостности сети.
Было предсказано, что наиболее важные из них, получившие название APEX, вызвали серьезные сбои в остальной сети, если их удалить. Исследователи обнаружили, что удаление APEX и нескольких других известных LRR-рецепторных киназ действительно ухудшало развитие растений и иммунные ответы, хотя эти реакции контролируются рецепторными киназами на нескольких сетевых шагах от узла APEX.
Это новое понимание того, как взаимодействуют рецепторные киназы, может помочь исследователям определить важные рецепторные киназы, которые могут модифицировать реакции стресса в коммерческих культурах, чтобы сделать их устойчивыми к экологическим стрессам, таким как глобальное потепление и патогенные микроорганизмы.
«Сеть, разработанная в этом исследовании, позволяет будущим исследователям понять ранее неизвестную связь этих рецепторов», - сказал Хоутон. «Эти знания могут быть использованы для лучшего понимания того, как растения воспринимают свою среду в полном контексте поверхностных рецепторов растительной клетки».
Источник: phys.org
