Роль гетеротримерных G-белков в сигнальной регуляции у растений

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Значительный интерес к изучению гетеротримерных G-белков (от англ. G-protein) обусловлен их способностью контролировать самые разнообразные процессы (рост и развитие, метаболизм, ответные реакции на действие биотических и абиотических факторов и др.), которая осуществляется благодаря взаимодействию гетеротримерных G-белков с различными рецепторами. В связи с этим гетеротримерные G-белки хорошо известны как участники сигнальных путей у эукариот.

Свое название G-белки получили из-за способности связывать гуаниновые нуклеотиды (ГТФ или ГДФ), что приводит к изменению их активности. Принято выделять гетеротримерные G-белки, которые формируют комплекс, состоящий из α-, β- и γ-субъединиц. Кроме того, отдельный класс представляют мономерные малые G-белки, обладающие способностью гидролизовать ГТФ (ГТФазы). Малые G-белки имеют молекулярную массу около 20–25 кДа, а их единственная полипептидная цепь гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков. Обе группы G-белков участвуют во внутриклеточной сигнализации, но данный обзор будет посвящен изучению гетеротримерных G-белков.

Несмотря на то что гетеротримерные G-белки являются, по-видимому, универсальными сигнальными регуляторами у всех эукариот, большая часть исследований по G-белкам была посвящена изучению их участия в процессах, протекающих у человека и животных [1].

В 90-е гг. с помощью ингибиторов и агонистов гетеротримерных G-белков было впервые показано их присутствие и функционирование в растениях [2–5]. В этих работах было установлено участие гетеротримерных G-белков в ответе растений на действие многих фитогормонов, развитии реакции на свет и других процессах [6–9]. Было выявлено несколько мутантов, дефектных по отдельным субъединицам гетеротримерных G-белков, что позволило детально изучить особенности строения G-белков у растений [10, 11]. Несколько позже была показана роль G-белков в контроле биотических взаимоотношений растений и микроорганизмов — защите от патогенов [12–14] и развитии симбиотических взаимоотношений [15–19]. В связи с тем что данные взаимодействия растений представляют значительный практический интерес, изучение возможных механизмов регуляции устойчивости или, напротив, восприимчивости растений к различным микроорганизмам с участием гетеротримерных G-белков имеет большое значение. Однако механизмы функционирования сигнальных путей с участием гетеротримерных G-белков у растений изучены недостаточно.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ГЕТЕРОТРИМЕРНЫХ G-БЕЛКОВ

Строение и активация гетеротримерного G-белка

У животных G-белок в неактивном состоянии формирует гетеротримерный комплекс из α-, β- и γ-субъединиц, ассоциированных с мембраной (рис. 1, а) [20]. В неактивном состоянии α-субъединица ассоциирована с ГДФ (гуанозиндифосфатом) [21]. Весь комплекс соединен с GPCR-рецептором (от англ. G-protein coupled receptor — рецептор, сопряженный с G-белком). Отличительной структурной особенностью GPCR-рецептора является присутствие семи трансмембранных доменов в его составе.

 

Рис. 1. Сравнение путей активации гетеротримерных G-белков у животных (а) и растений (б, в); б — RGS-зависимый путь активации, в — RGS-независимый путь активации (по [24], с изменениями)

 

При связывании лиганда активируется GPCR, и в этом случае рецептор стимулирует обмен гуаниновых нуклеотидов на α-субъединице (выступает в качестве фактора обмена нуклеотидов, от англ. Guanine nucleotide exchange factor, GEF), что выражается в отсоединении ГДФ и присоединении ГТФ. При этом происходит активация компонентов комплекса из-за конформационных изменений в присутствии нуклеотида. Это приводит к диссоциации комплекса на α-субъединицу и β-, γ-субъединицы, последние выступают в роли мессенджеров, проводящих сигнал далее (см. рис. 1, а). После активации α-субъединица, будучи ГТФазой, катализирует гидролиз ГТФ до ГДФ, что переводит ее в неактивное состояние, и комплекс из α-, β- и γ-субъединиц вновь собирается [22]. Особое значение имеет растворимый белок RGS — регулятор сигнального пути, активируемого G-белком (от англ. regulator of G-protein signaling, RGS) (см. рис. 1, а). Данные белки у животных локализованы в цитоплазме и характеризуются наличием так называемого RGS-мотива, который необходим для узнавания α-субъединицы. Белки RGS усиливают гидролиз ГТФ до ГДФ у α-субъединиц, регулируя тем самым интенсивность и продолжительность действия гетеротримерного G-белка (стимулируя сборку комплекса α-, β- и γ-субъединиц) [23].

Гетеротримерные G-белки обнаружены и у грибов [25–29]. Наиболее подробно изучены они у представителей групп Ascomycota, Basidiomycota и Zygomycota. У грибов выявлены GPCR-рецепторы с семью трансмембранными доменами [25], которые на основании структурно-функциональной гомологии близки GPCR животных [29]. Однако для гетеротримерных G-белков грибов характерно меньшее разнообразие α-, β- и γ-субъединиц по сравнению с животными.

Сходное влияние GPCR-рецепторов на гетеротримерные G-белки позволяет судить об эволюционном родстве сигнальных путей с участием этих регуляторов у животных и грибов [30]. У грибов также выявлен цитоплазматический RGS-белок, влияющий на инактивацию α-субъединицы. Вместе с тем у них обнаружены и уникальные RGS-белки [31] c семью трансмембранными доменами. Сходные по структуре RGS-белки были выявлены также у растений [32] и будут рассмотрены ниже. Это указывает на наличие разнообразных путей передачи сигнала с участием гетеротримерных G-белков у грибов.

За прошедшие два десятилетия были проведены исследования, которые позволили изучить особенности структурной организации гетеротримерных G-белков и их функционирования у растений. Следует отметить, что единичные GPCR-подобные белки были выявлены у отдельных растений. В частности, у арабидопсиса обнаружен белок GCR1, имеющий семь трансмембранных доменов, что показывает его сходство с GPCR животных [1]. Однако у GCR1-рецептора способность стимулировать обмен нуклеотидов у субъединиц G-белка не обнаружена, что ставит под сомнение его функциональную активность [1, 24, 33].

Вместе с тем у растений выявлен уникальный регулятор — белок RGS, который в отличие от RGS животных помимо RGS-мотива имеет семь трансмембранных доменов, так же как и GPCR-рецептор животных и грибов [32]. Из-за сходства строения трансмембранных доменов первоначально предполагали, что RGS растений может играть роль GPCR-рецептора, однако в дальнейшем это не подтвердилось [1, 24].

В неактивном состоянии в комплексе с RGS находятся α-, β- и γ-субъединицы гетеротримерного G-белка (рис. 1, б). В отличие от животных, α-субъединица растений, помимо присущей ей ГТФазной активности, способна самопроизвольно обменивать ГДФ на ГТФ (спонтанная активация без участия GEF) [34]. Однако под влиянием RGS α-субъединица действует преимущественно как ГТФаза, которая осуществляет гидролиз ГТФ до ГДФ, поддерживая неактивное состояние гетеротримерного G-белка (см. рис. 1, б) [35]. При активации RGS гидролиз ГТФ в α-субъединице прекращается, что приводит к ее активации, распаду гетеротримерного комплекса на α-, β- и γ-субъединицы и дальнейшему проведению сигнала, а сам RGS претерпевает эндоцитоз (см. рис. 1, б) [36].

Таким образом, несмотря на структурные различия, биохимическая активность RGS у животных и растений сходна. В составе комплекса RGS выполняет функцию стимулятора гидролиза ГТФ α-субъединицей, в то время как GPCR у животных стимулирует обмен ГДФ на ГТФ (выполняет функцию GEF), активируя α-субъединицу. Несмотря на структурное сходство между RGS и GPCR, функциональной аналогии между этими классами белков обнаружено не было. В связи с этим RGS не играет роли GPCR в растениях [1, 24].

Следует отметить, что координация активности G-белков растений может осуществляться как через RGS, так и непосредственно самими рецепторами к разным лигандам и связанными с ними внутриклеточными регуляторами (рис. 1, в). В этих случаях не требуются белки RGS и сигнал поступает непосредственно от мембранного рецептора. Это было показано на примере Arabidopsis thaliana для атипичной большой α-субъединицы AtXLG2, c которой взаимодействует комплекс рецепторов AtFLS2 и AtBAK1 к белку жгутика бактерий флагеллину. При взаимодействии комплекса AtFLS2/AtBAK1 с активным эпитопом флагеллина (пептидом flg22) активируется внутриклеточная протеинкиназа AtBIK1, которая фосфорилирует большую α-субъединицу AtXLG2 гетеротримерного G-белка и связанную с ним НАДФН-оксидазу AtRBOH (см. рис. 1, в). Это способствует диссоциации гетеротримерного G-белка и проведению сигнала, регулирующего неспецифический иммунный ответ у арабидопсиса (см. рис. 1, в) [12].

Аналогичный механизм обнаружен и при рецепции хитоолигосахаридов, которые являются сигнальными молекулами для LysM-рецептор-подобной киназы (LysM-РПК) AtCERK1. С помощью разделенного на N- и C-концевые части убиквитина (от англ. split-ubiquitin assay) и бимолекулярной флуоресцентной комплементации (от англ. bimolecular fluorescence complementation, BiFC) было показано, что активированная LysM-РПК AtCERK1 способна взаимодействовать с α-субъединицей G-белка (AtGPA1), что, вероятно, приводит к ее фосфорилированию, диссоциации комплекса субъединиц G-белка и передаче сигнала в клетку [19].

Особую роль RGS-независимый путь передачи сигнала с участием гетеротримерных G-белков играет, по-видимому, у однодольных растений. Несмотря на то что белки RGS обнаружены у всех изученных двудольных растений, они утеряны у большинства однодольных, за исключением единичных видов (среди них просо Setaria italica и пальма Phoenix dactylifera) [34, 37].

На основании анализа литературных данных можно сделать вывод, что классические представления о принципе работы гетеротримерных G-белков в клетках животных и грибов существенно отличаются от того, как организованы и функционируют эти белки у растений. Сравнительная схема путей активации гетеротримерных G-белков представлена на рис. 1.

Разнообразие субъединичного состава G-белков

В 2001 г. была проведена работа по созданию 3D-моделей α-, β- и γ-субъединиц G-белка у растений. Авторы сравнили полученные модели с аналогичными структурами уже хорошо изученных субъединиц гетеротримерных G-белков у животных и сделали вывод о сходстве их структурной организации [38].

G-белки у растений отличаются малой вариабельностью субъединиц по сравнению с животными. В то время как у человека обнаружены 23 варианта α-субъединиц, 5 вариантов β-субъединиц и 12 вариантов γ-субъединиц, у A. thaliana присутствует всего одна каноничная α-субъединица (AtGPA1), три варианта неканоничных (от англ. extra-large G-protein alpha, XLG) α-субъединиц (AtXLG1, AtXLG2, AtXLG3), одна β-субъединица (AtAGB1) и три варианта γ-субъединиц (AtAGG1, AtAGG2, AtAGG3) G-белка (см. рис. 2) [24]. Схемы организации субъединиц гетеротримерных G-белков приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема организации субъединиц гетеротримерных G-белков и RGS растений. Даны обозначения соответствующих генов и номера последовательностей в базах данных для некоторых модельных растений. Приведена масштабная линейка, соответствующая 100 аминокислотным остаткам. TM — трансмембранный домен; CaaX — домен пренилирования (по [24], с изменениями)

 

Отметим, что в составе XLG и некоторых γ-субъединиц обнаружены сигналы ядерной локализации. Можно предположить, что данные участники могут являться непосредственными передатчиками сигнала от мембранных рецепторов в ядро.

ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА ОТ ГЕТЕРОТРИМЕРНОГО G-БЕЛКА У ЖИВОТНЫХ И ГРИБОВ

Гетеротримерные G-белки как участники внутриклеточных путей передачи сигнала должны не только воспринимать сигнал от активированного рецептора, но и передавать его другим компонентам пути. Для животных G-белков в достаточной мере определен круг возможных «мишеней», которые активируют субъединицы гетеротримерных G-белков. Одной из первых открытых внутриклеточных «мишеней» стал фермент аденилатциклаза, который необходим для синтеза вторичного посредника — циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) [39]. С аденилатциклазой взаимодействуют различные α-субъединицы, а также некоторые комплексы β- и γ-субъединиц, при этом одни из них активируют синтез цАМФ, а другие подавляют [40]. Кроме того, G-белки могут регулировать ферменты с противоположной функцией — цГМФ-фосфодиэстеразы, которые разрушают фосфодиэфирные связи в цГМФ [41].

Фосфолипазы С и D, участвующие в гидролизе мембранных фосфолипидов и определяющие синтез вторичных мессенджеров инозитол-3-фосфата (ИФ3), диацилглицерола (ДАГ) и фосфатидной кислоты (ФК), также служат мишенью действия α-, β- и γ-субъединиц гетеротримерных G-белков. У животных образование комплекса с α-субъединицей повышает активность фосфолипаз в сотни раз, при этом контакт происходит через несколько сайтов фосфолипазы С (в связывании участвуют два кальций-связывающих EF-домена и участок между С2- и TIM-доменами). Наиболее важным сайтом взаимодействия фосфолипазы С с β- и γ-субъединицами является PH-домен. Зачастую регуляция активности фосфолипаз С с помощью субъединиц гетеротримерных G-белков осуществляется опосредованно через малые ГТФазы [41, 42].

ИФ3 важен для регуляции кальциевого обмена в животных клетках. Рецептором к ИФ3 служит кальциевый канал, находящийся в мембране эндоплазматического ретикулума. Эти каналы могут содержать и сайты связывания других вторичных мессенджеров, например, для циклических нуклеотидов, которые также могут регулироваться гетеротримерными G-белками [43].

Другими мишенями действия гетеротримерных G-белков являются внутриклеточные киназы. Особый интерес представляют MAP-киназы (от англ. mitogen-activated protein kinase). Многие MAP-киназы собраны на scaffold-белках, и регулируются как сами MAP-киназы, так и scaffold-белки (см. рис. 3) [44].

 

Рис. 3. Интеграция гетеротримерных G-белков, MAP-киназ со scaffold-белком RACK1 и малой ГТФазой Rac1 в сигнальных путях

 

У грибов гетеротримерные G-белки активируют преимущественно два типа сигнальных регуляторов — аденилатциклазы и MAP-киназы. При этом α-субъединицы активируют оба пути, а для комплекса β- и γ-субъединиц показана роль в активации MAP-киназного пути [26]. В целом можно сказать, что сигнальные пути с участием гетеротримерных G-белков у грибов структурно и функционально ближе к таковым у животных. Не случайно в дрожжах хорошо разработана система изучения GPCR и соответствующих G-белков человека с целью изучения лекарственных веществ [45].

МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА ОТ ГЕТЕРОТРИМЕРНОГО G-БЕЛКА К ВНУТРИКЛЕТОЧНЫМ РЕГУЛЯТОРАМ У РАСТЕНИЙ

Растительные и животные гетеротримерные G-белки имеют в целом сходный круг регулируемых мишеней. Однако многие из них почти не изучены. Например, аденилатциклазы изучены у растений крайне слабо. При этом в формировании цАМФ могут участвовать мембранные и цитоплазматические аденилатциклазы растений [46]. Биоинформационный анализ показывает, что у растений специфичные для аденилатциклаз мотивы могут присутствовать в составе других белков [47]. Например, пять растительных белков у арабидопсиса обладают такими мотивами, среди них мембранный белок AtKUP7, ответственный за транспорт калия в клетку. У кукурузы выявлен белок ZmPSiP, регулирующий прорастание пыльцевой трубки [47], а также некоторые другие белки. Аналогичную ситуацию наблюдали и с ферментами, синтезирующими цГМФ — гуанилатциклазами [48]. Характер взаимодействия таких белков с гетеротримерными G-белками у растений еще предстоит выяснить.

Фосфолипазы

Связь между активацией G-белков и работой фосфолипаз С и D, контролирующих появление вторичных липидных мессенджеров ИФ3, ДАГ и ФК, была установлена при изучении сигнальной регуляции симбиоза между растениями и ризобиальными бактериями. Hartog et al. [49] обнаружили, что при обработке агонистом G-белков мастопараном в корнях Vicia sativa повышался уровень ДАГ и ФК, что стало одним из первых доказательств участия гетеротримерных G-белков и фосфолипаз С и D в данном сигнальном пути.

Были получены доказательства прямого взаимодействия G-белка и фосфолипазы C у Lillium davidii [50], согласно которым две фосфолипазы С (LdPLC1 и LdPLC2) могут образовывать комплексы с активированной α-субъединицей, что соответствует модели регуляции фосфолипаз С у животных. Однако механизмы активации фосфолипаз С G-белками до настоящего времени не выяснены.

Если у животных фосфолипазы D не играют существенной роли во взаимодействии с гетеротримерными G-белками, то у растений эти ферменты участвуют в передаче сигнала. Было показано, что у A. thaliana α-субъединица гетеротримерного G-белка (AtGPA1) взаимодействует с фосфолипазой D, связываясь с DRY-мотивом [51]. Вероятно, AtGPA1 может связываться с несколькими фосфолипазами D, поскольку DRY-мотивами обладали несколько семейств фосфолипаз D (α, β, γ (кроме γ2) и ε). В неактивном состоянии AtGPA1 связана с фосфолипазой D, тогда как активация этой α-субъединицы может приводить к диссоциации с фосфолипазой D, что стимулирует образование ДАГ и ФК.

В 2016 г. авторы Choudhury и Pandey [17], изучая передачу сигнала с помощью гетеротримерных G-белков при симбиозе растений с азотфиксирующими бактериями, с помощью метода коиммунопреципитации продемонстрировали, что фосфолипаза D α1 входит в состав сложного сигнального комплекса, в который входили также α-, β- и γ-субъединицы G-белка и RGS. При активации этого комплекса α-субъединица связывается с ГТФ, что приводит к диссоциации с фосфолипазой D, которая катализирует образование ДАГ и ФК.

Интересно, что фосфолипазы D семейств α, β, γ и ε имеют С2-мотив, изменяющий активность фермента в ответ на изменение концентрации кальция [52], что, вероятно, позволяет ферменту воспринимать сигналы от гетеротримерных G-белков и кальция как вторичного мессенджера и интегрировать их.

Цитоплазматические протеинкиназы и малые ГТФазы

Как было отмечено выше, у животных и грибов хорошо изучена связь между активацией гетеротримерных G-белков и передачей сигнала к MAP-киназам. Эксперименты на растениях позволили показать, что компоненты MAP-киназного пути (MAP-киназа киназы киназы (MAPKKK), MAP-киназа киназы (MAPKK) и MAP-киназа (MAPK)) могут быть активированы G-белками. Например, у арабидопсиса в процессе передачи сигнала от рецептора AtFLS2 при иммунном ответе участвует β-субъединица G-белка, которая активирует цитоплазматическую протеинкиназу RACK1. RACK1 непосредственно взаимодействует с компонентами MAP-киназного пути — MAPKKК (MEKK1), MAPKK (MKK4/5) и MAPK (MPK3/6) [53], являясь scaffold-белком (см. рис. 3). Вероятно, активация RACK1 обусловливает дальнейшую передачу сигнала с помощью МАР-киназ. Сходным образом на ранних стадиях эмбриогенеза у A. thaliana G-белки могут активировать МАР-киназы, в частности, показано взаимодействие β-субъединицы G-белка с MAP-киназой киназы 4/5 (MPKK4/5) [54].

Участие гетеротримерного G-белка в передаче сигнала с участием RACK1 и малой ГТФазы Rac1 установлено и у риса при развитии иммунных реакций [55]. Малая ГТФаза Rac1 может также активироваться α-субъединицей гетеротримерного G-белка при иммунном ответе у риса при заражении фитопатогенным грибом Magnaporthe grisea [56]. Однако экспериментальных данных о непосредственном взаимодействии Rac1 с α-субъединицей гетеротримерного G-белка получено не было. Остается неясным, происходит ли прямое взаимодействие гетеротримерного G-белка с малыми ГТФазами, или это осуществляется опосредованно.

РЕГУЛЯЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА

У растений гетеротримерные G-белки принимают участие в контроле образования активных форм кислорода (АФК) с помощью НАДФН-оксидаз. Образование АФК ферментами НАДФН-оксидазами играет важную роль в развитии иммунных реакций при взаимодействии растений с фитопатогенами. Эти процессы у растений и животных сходны [57, 58]. Следует отметить, что активация НАДФН-оксидаз под влиянием гетеротримерных G-белков может происходить как в результате непосредственного взаимодействия субъединиц G-белка с НАДФН-оксидазами, так и в результате взаимодействия этих субъединиц с другими регуляторами — малой ГТФазой Rac1 [59], протеинкиназами [60], кальцием и кальций-зависимыми киназами [61]. Как было отмечено выше, эти регуляторы тесно связаны с гетеротримерными G-белками.

Наиболее полно передача внутриклеточных сигналов с синтезом АФК изучена на примере ответа растений на абсцизовую кислоту (АБК). АБК задействована в различных процессах, протекающих у растений, таких как регуляция покоя семян и почек, процессов транспирации, при формировании гетерофилии и т. д. [62]. Было показано, что мутанты по генам, кодирующим субъединицы гетеротримерных G-белков, имеют нарушения, связанные с восприятием АБК. Эти данные позволяют предположить, что G-белки являются важными участниками рецепции и ответа растений на АБК. У мутантов A. thaliana gpa1, agb1, agg3 (имеющих дефекты в генах, кодирующих α1-, β1- и γ3-субъединицы G-белка соответственно) обнаружено подавление АБК-зависимого закрытия устьиц, которое авторы объясняют опосредованным влиянием G-белков на работу ионных каналов [63, 64]. При этом мутанты agg1, agg2 и двойной мутант agg1 agg2 (дефектные по генам, кодирующим γ1- и γ2-субъединицы G-белка) не имели подобных нарушений чувствительности к АБК.

Для ионных каналов, участвующих в АБК-зависимом закрытии устьиц, показана регуляция через кальций-зависимый и кальций-независимый пути [65–68]. В первом случае ионными каналами управляет протеинкиназа OST1, а во втором — кальций/кальмодулинзависимые киназы. В отсутствие АБК OST1 находится под негативным контролем протеинфосфатазы 2С (PP2C), которая подавляет активность этой протеинкиназы [69]. При взаимодействии АБК с рецептором подавляется активность PP2C, что приводит к активации OST1. Недавно было установлено, что протеинфосфатаза PP2C взаимодействует с β-субъединицей гетеротримерного G-белка [70]. Помимо прямой регуляции ионных каналов, протеинкиназа OST1 и кальций/кальмодулинзависимые киназы стимулируют НАДФН-оксидазу, контролирующую синтез АФК, что также влияет на работу ионных каналов [71].

РЕГУЛЯЦИЯ БИОТИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ РАСТЕНИЙ И МИКРООРГАНИЗМОВ

Гетеротримерные G-белки принимают участие в контроле биотических взаимодействий растений, в частности, в развитии устойчивости растений при узнавании фитопатогенов, а также при формировании симбиотических взаимоотношений с ризобиями.

Выше был рассмотрен принцип работы рецепторного комплекса AtFLS2/AtBAK1 к флагеллину у арабидопсиса, который активирует внутриклеточную киназу AtBIK1, непосредственно фосфорилирующую атипичную субъединицу G-белка AtXLG2, что приводит к передаче сигнала в клетке (рис. 1, в) [24]. В работе Tunc-Ozdemir и Jones [72] с использованием методики Förster Resonance Energy Transfer (FRET) была изучена работа негативного регулятора иммунного ответа рецептор-подобной киназы AtBIR1, которая также взаимодействует с рецепторами к флагеллину AtFLS2 и AtBAK1 у арабидопсиса. Было показано, что в неактивном состоянии отдельно от рецепторов AtFLS2/AtBAK1 находится комплекс AtRGS1 c каноничными α-, β- и γ-субъединицами гетеротримерного G-белка, соединенный с AtBIR1. После обработки пептидом flg22, активации рецепторов AtFLS2/AtBAK1 и передачи сигнала с участием AtBIK1 через некоторое время также происходит взаимодействие рецепторов с рецептор-подобной киназой AtBIR1 [72]. Это, в свою очередь, стимулирует AtRGS1 и вызывает диссоциацию каноничного G-белка и активацию β-субъединицы. В процессе передачи сигнала с участием β-субъединицы образуются АФК с помощью НАДФН-оксидазы. Эти процессы в конечном счете приводят к убиквитинированию и деградации AtFLS2, что позволяет тонко регулировать содержание и активность рецепторов к флагеллину.

Одной из первых работ, продемонстрировавших участие гетеротримерных G-белков в развитии симбиотических взаимоотношений, была работа Pingret et al. [15], которые, обработав корни Medicago truncatula агонистом G-белка (мастопараном), показали активацию гена MtENOD12, являющегося маркером клубенькообразования. Напротив, при обработке корней растений антагонистом G-белков коклюшным токсином происходило снижение экспрессии гена MtENOD12, индуцированное мастопараном.

Позднее Choudhury et al. [73], работая на сое (Glycine max), представили данные, свидетельствующие об участии гетеротримерных G-белков в передаче сигнала при рецепции Nod-факторов рецептором NFR1. Было установлено, что активированный рецептор взаимодействует с RGS и G-белком, что необходимо для передачи сигнала при узнавании Nod-факторов и дальнейшего развития клубеньков.

Гетеротримерные G-белки принимают участие и в установлении симбиотических отношений с грибами. Была показана роль гетеротримерных G-белков в проведении сигнала при узнавании молекул, выделяемых грибами эктомикоризы [18]. В исследованиях на суспензионной культуре клеток ели Picea abies авторы показали связь между активацией гетеротримерных G-белков и работой кальциевых каналов, а также образованием АФК и повышением значений pH среды вокруг клеток.

УЧАСТИЕ G-БЕЛКОВ В РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

В результате поиска и изучения локусов, отвечающих за агрономически значимые признаки у культурных растений, было установлено, что среди них присутствует достаточно большое число генов, кодирующих субъединицы гетеротримерных G-белков [74].

Оказалось, что экспрессия соответствующих генов зависит от условий окружающей среды. Например, было исследовано влияние засоленности, засухи, холодового и теплового стресса, а также влияние АБК на изменение экспрессии генов γ-субъединиц OsRGG1 и OsRGG2 у риса O. sativa [75]. В результате проведенных экспериментов было обнаружено, что увеличение уровня экспрессии генов OsRGG1 и OsRGG2 происходит в ответ на влияние большинства этих факторов.

Дальнейшие эксперименты по поиску компонентов пути передачи сигнала, взаимодействующих с γ-субъединицей OsRGG1 риса с помощью дрожжевой дигибридной системы и BiFC, позволили выявить 10 потенциальных партнеров γ-субъединицы [76]. Анализ этих белков показал, что большинство из них известны по роли в устойчивости растений к абиотическим стрессам. Однако в целом механизмы, лежащие в основе передачи сигнала при реакции растений на абиотические факторы, изучены недостаточно.

Еще одним важным для растений абиотическим фактором окружающей среды является освещение, влияющее на рост и развитие растений. Негативное влияние a- и β-субъединиц гетеротримерных G-белков на фотоморфогенез было показано на арабидопсисе [77, 78]. В основе такого влияние может лежать взаимодействие β-субъединицы AtAGB1 с основными регуляторами фотоморфогенеза — криптохромом CRY1 и транскрипционным фактором HY5 [79].

Эти данные свидетельствуют, что G-белки играют ключевую роль в ответе растений на влияние многих факторов окружающей среды, что делает изучение G-белков весьма перспективным с точки зрения использования полученных знаний для регуляции этих процессов у растений.

КОНТРОЛЬ ПРОЛИФЕРАЦИИ И ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК С УЧАСТИЕМ G-БЕЛКОВ

Гетеротримерные G-белки вовлечены и в контроль пролиферации и дифференцировки растительных клеток. Положительное влияние a-субъединицы гетеротримерного G-белка на пролиферацию клеток было выявлено у арабидопсиса [80]. При трансформации культивируемых клеток арабидопсиса конструкцией для сверхэкспрессии гена AtGPA1, кодирующего a-субъединицу G-белка, были показаны стимуляция клеточного цикла у клеток в синхронной культуре [80].

Стимуляцию клеточных делений и развитие боковых корней у арабидопсиса наблюдали под влиянием ауксина, при этом было выявлено негативное влияние на этот процесс β- и γ-субъединиц гетеротримерного G-белка AtAGB1 и AtAGG1 [38]. Мутанты по гену agb1 характеризовались повышенной чувствительностью к ауксину и увеличением количества примордиев боковых корней. Авторы продемонстрировали, что повышенная чувствительность к ауксину при стимуляции клеточных делений у agb1-мутантов может быть компенсирована сверхэкспрессией гена AtGPA1. Таким образом было установлено, что G-белки могут влиять на пролиферацию клеток и опосредованно через гормоны.

Регуляция клеточных делений в корнях A. thaliana была исследована с использованием мутантов gpa1 и agb1, а также у растений со сверхэкспрессией соответствующих генов [81]. Авторы охарактеризовали фенотипы данных мутантов с точки зрения развития корней. Было показано, что растения с генотипом gpa1 имели меньше боковых корней по сравнению с растениями дикого типа. Напротив, мутанты agb1 имели больше боковых корней и более длинный главный корень. Данные, полученные с использованием таких мутантов, позволяют судить о G-белках как о важных регуляторах пролиферации клеток растений, но пока нет представления о возможных молекулярных механизмах таких процессов.

Комплекс рецепторов CLAVATA (CLV), CORYNE (CRN), RECEPTOR-LIKE PROTEIN KINASE2 (RPK2) и регуляторный пептид CLE (CLV3/ENDOSPERM SURROUNDING REGION, ESR) вовлечены в контроль пролиферации клеток в меристемах растений [82]. У Arabidopsis в апикальной меристеме побега гомеодомен-содержащий транскрипционный фактор WUSHEL (WUS) регулирует пул стволовых клеток, поддерживая их активность [83]. Связывание регуляторного пептида CLE/CLV3 c комплексами рецепторов CLV1–CLV1, CLV2–CRN или RPK2–RPK2 активирует сигнальные пути, которые подавляют экспрессию гена WUSHEL (WUS). В свою очередь, WUS индуцирует экспрессию гена CLV3, действуя по механизму отрицательной обратной связи [84].

При изучении особенностей функционирования системы CLV-WUS было обнаружено, что рецепторы CLV2/CRN и RPK2/RPK2 могут образовывать комплекс с гетеротримерным G-белком, после которого запускается MAP-киназный каскад [85]. Действительно, мутанты Arabidopsis по гену agb1, кодирующему β-субъединицу G-белка AtAGB1, обладали увеличенной зоной стволовых клеток. Этот же фенотип был выявлен и у мутантов по гену clv2, crn, а также rpk2 [86]. Ishida et al. [87] изучали in vitro взаимодействие RPK2 и β-субъединицы G-белка, который, по-видимому, и отвечает за активацию MAP-киназного пути, приводящего к регуляции пула стволовых клеток.

Таким образом, взаимодействие рецепторов CLV, CRN и RPK2 и гетеротримерных G-белков является необходимым условием передачи сигнала к транскрипционному фактору WUS, вовлеченному в контроль пролиферации клеток у растений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Следует отметить, что, несмотря на накопленные на сегодняшний день знания о структуре и принципах активации и действия гетеротримерных G-белков в некоторых процессах у растений, общая картина их функционирования далека от понимания. Учитывая небольшое разнообразие субъединичного состава комплексов гетеротримерных G-белков, но значительное количество процессов, которое они контролируют, можно предположить, что G-белки играют роль «мастер»-регуляторов, воспринимая сигналы сразу от многих систем и модулируя развитие и функционирование растения в соответствии с такими сигналами. Однако необходимы дополнительные исследования, которые позволят понять, как осуществляется сигнальная регуляция у растений с участием гетеротримерных G-белков.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ, 16-16-10043).

Об авторах

Андрей Дмитриевич Бовин

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»

Email: andy-piter2007@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4061-435X

аспирант, лаборатория молекулярной и клеточной биологии

Россия, 196608, г. Санкт-Петербург, Пушкин 8, ш. Подбельского, д.3

Елена Анатольевна Долгих

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»

Автор, ответственный за переписку.
Email: dol2helen@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0002-5375-0943
SPIN-код: 4453-2060
Scopus Author ID: 6603496335
ResearcherId: G-6363-2017

д-р биол. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной и клеточной биологии

Россия, 196608, г. Санкт-Петербург, Пушкин 8, ш. Подбельского, д.3

Список литературы

Дополнительные файлы