Кальциевая сигнальная сеть

Концепция стресса

Стимул – внешний физический параметр, который воспринимается организмом

Сигнал – образование сигнальных молекул (мессенджеров) клетками в ответ на стимул

Стресс – совокупность реакций организма в ответ на воздействие различных неблагоприятных факторов

Стрессор – неблагоприятный фактор окружающей среды

Стрессоры

Биотические:

· Конкуренция

· Симбиоз

· Патогенез

· Наличие фитофагов

Абиотические:

· Водный дефицит/Избыток влаги

· Минеральный дефицит/Тяжелые металлы

· Ксенобиотики

· Затенение/UV

· Дефицит кислорода

· Засоление

Передача сигнала и формирование физиологического ответа:

Первичные мессенджеры

Первичные мессенджеры — это химические соединения, способные активировать передачу сигнала в клетке. По отношению к воспринимающей клетке первичные посредники являются экстрацеллюлярными сигналами

Передача сигнала (сигналинг)

Амплификация сигнала – активация вторичных мессенджеров в сигнальном каскаде

Вторичный мессенджер – молекулы, участвующие в амплификации сигнала

Передача сигнала через дерепрессию генной экспрессии

Ø Многие гены находятся в неактивном состоянии, так как они связаны с белком репрессором

Ø Белок репрессор запрещает посадку РНК-полимеразы и транскрипцию гена

Ø В разрушении репрессора участвует убиквитин-лигазный комплекс (SCF – комплекс и лигаза) , который собирается только в присутствии фитогормонов

Каким образом разрушаются «ненужные» белки в клетке?

Ø В 2004 году Аарон Чехановер, Аврам Гершко и Ирвин Роуз были удостоены Нобелевской премии по химии «за открытие убиквитин-зависимой деградации белка»

Ø F-box белок распознает соответствующий белок-репрессор

Ø Лигаза присоединяет к соответствующему репрессору убиквитин

Ø Меченый убиквитином белок подвергается разрушению в 26S протеосоме

Ø SCF вовлечен в сигнальную трансдукцию ауксина, жасмоната и геббереллинов

Ауксины

Имеют широкий спектр физиологического действия:

· Создание полярности

· Контролируют апикальное доминирование

· Рост стебля

· Развитие корней и т.д.

· IAA образуется из предшественников в шикиматном пути внутри пластид, которые транспортируются в циотозоль и там превращаются в IAA

· Недавно был открыт новый, цитозольный путь биосинтеза, из триптофана (показан только для немногих семейств)

· Формируются множеством симбиотических и патогенных микроорганизмов (Agrobacterium tumefaciens)

· Распознование ауксина происходит с помощью рецептора TiR1 (Transport Inhibitor Response)

· В присутствии ауксина SCF связывает и разрушает репрессор AUX/IAA, в отсутствии ауксина AUX связан с транскрипционным фактором ARF (auxin response factors), что предотвращает экспрессию генов

Ауксин связывающие протеины (ABP)

· ABP – экстрацеллюлярные белки, способные связывать на внешней стороне мембраны

· ABP обладает цитозольным киназным доменом, благодаря которому происходит трансдукция сигнала IAA

Жасмонат (JA)

Функции JA:

· Контролирует развитие мужских цветков

· Запускает защитные механизмы в ответ на повреждение и патогенез

· Мутанты по генам биосинтеза JA образуют стерильные цветки

· Образование JA начинается с высвобождения полиненасыщенных жирных кислот из галактолипидов пластид

· В результате окисления галактолипидов образуются оксилипины – сигнальные молекулы

· COI1(Coronatin Insensitive 1) – F-box белок, распознающий конъюгат JA-Ile

· COI1 эволюционно связан с TIR1 и механизм дерепрессии схож с последним.

Гиббереллины

Ø Группа фитогормонов открытая впервые в патогенных грибах Gibberella fujikuroi

Физиологическое действие:

Ø Индуцирует формирование цветков

Ø Задерживает старение листьев и плодов

Ø Участвует в прорастании

Ø Гиббереллины формируются в пластидах в изопреноидном метаболизме из геранилгеранилпирофосфата

Ø Известно более 120 различных видов гиббереллинов и только 13 являются общими для всех

Механизм дерепрессии гиббереллин зависимых генов:

Ø Трансдукция сигнала гиббереллинов действует через белок GID1 (Gibberellin-Insensetive Dwarf 1)

Ø GID2 – F-box белок

Ø После активации GID1 связывается с белком репрессором DELLA , который в дальнейшем распознается GID2 и подвергается разрушению

Абсцизовая кислота (ABA)

Ответственна за опадение листьев в некоторых растениях (abscission)

Функции:

Ø Регулирует период покоя семян, клубней и бутонов

Ø Стрессовый гормон, образуется в ответ на водный дефицит (закрытие устьиц)

Ø Биосинтез ABA происходит в пластидах и начинается с химической модификации β-каротина (изопреноидный метаболизм)

Ø Сигнал ABA прекращается путем модификации ферментом ABA-8’-гидроксилазой

Ø В цитоплазме AБК взаимодействует со специфическими белками (PYR, PYL, RCAR) изменяя их конформацию, что позволяет им связать фосфатазу ABI1.

Ø В отсутствии АБК, ABI1 «держит» ключевой регулятор AБК-сигнала SnRK2 в дефосфорилированном (неактивном) состоянии

Ø Активированная протеин киназа SnRK2 фосфорилирует (активирует) транскрипционные факторы AБК-сигнала и ключевые ферменты (например, участвующие в закрытии устьиц)

Салициловая кислота

Ø Один из главных факторов опосредующих защиту против патогенных микроорганизмов и растительных вирусов

Ø Образуется в шикиматном пути

Ø Инактивация сигнала SA осуществляется декарбоксилированием молекулы с образованием катехола

Ø SA распознается цитоплазматическим белком NPR 1

Ø NPR 1 связаны в белковый кластер (неактивная форма)

Ø Присоединение SA вызывает изменение редокс-состояния и высвобождение NPR 1, нитризилирующийся в дальнейшем (присоединение NO к сульфгидрильной группе цистеина)

Ø Индивидуальный NPR 1 в нитрозилированном состоянии способны входить в ядро и активировать транскрипционные факторы TGA и экспрессию патоген связанных генов

Цитокинины (CK)

Ø CK, как правило, противодействуют эффекту ауксинов

Ø Баланс между CK и ауксинами определяет дифференцировку растительных клеток

Ø CK синтезируются галлообразующими бактериями

Ø Биосинтез начинается с DNAPP (терпеноидный путь)

Ø CK образуются во всех растительных клетках

Ø Сигнал CK терминируется с помощью CK оксидазы

Передача сигнала CK происходит через трансмембранные рецепторы:

Ø CK распознаются с помощью гистидин киназных рецепторов (RHK), расположенных в цитоплазматической мембране (возможно, мембрана ЭПР)

Ø AHK 4 (один из RHK) состоит из CK-связывающего домена, трансмембранного домена и внутриклеточных гистидин- и аспартат киназных доменов

Ø В присутствии CK, гормон связывается с AHK 4 на поверхности клетки, происходит конформационные изменения трансмембранного домена и, как следствие, аутофосфорилирование гистидин киназного домена, это вызывает фосфорилирование аспартата в терминальном киназном домене AHK 4

Ø Терминальный киназный домен фосфорилирует (активирует) цитоплазматический белок AHP, который затем поступает в ядро и активирует (фосфорилирует) транскрипционный фактор ARR-B (содержит ДНК связывающий домен GARP)

Ø AHP может также фосфорилировать (активировать) ARR-A, что терминирует (прекращает сигнал CK)

Этилен (ETH)

Ø Гормон, оказывающий влияние не только на все растение, но и на целую популяцию

Ø Вызывает опадение листьев, цветков, созревание плодов

Ø Подавляет рост корней и гипокотиля, формирует апикальный крюк

Ø Этилен образуется из метионина через SAM

Ø Ключевой интермедиат биосинтеза – ACC (аминоциклопропан-1-кабоновая кислота)

Ø Терминация сигнала не известна

Ø Этилен образуется из метионина через SAM

Ø Ключевой интермедиат биосинтеза – ACC (аминоциклопропан-1-кабоновая кислота)

Ø Терминация сигнала не известна

Передача сигнала:

Ø Рецептор этилена – трансмембранный цитоплазматический, состоящий из двух субъединиц (ERS 1 и ETR 1), связанных дисульфидными связями

Ø Неактивный рецептор ERS 1 / ETR 1 связывает белок CTR 1, поддерживая его в фосфорилированной (активной) форме.

Ø Фосфорилированный CTR 1 репрессирует киназу MAPKK

Ø В присутствии этилена CTR 1 высвобождается (неактивная форма), что позволяет включить MAPK-киназный каскад и активировать белок EIN 2.

Ø EIN 2 участвует в регуляции транстрипционного фактора EIN 3, в результате чего образуется непосредственный транскрипционный фактор экспрессии этилен зависимых генов

Брассиностероиды

Ø Определяют рост клеток в длину (вдоль оси): рост стебля, побегов, развертка листьев

Ø Повышают стрессоустойчивость растений (засуха, низкие температуры, засоление)

Ø Действие перекрывается с другими гормонами

Ø Образуются в изопреноидном метаболизме

Ø Рабочая концентрация ниже, чем у предыдущих гормонов

Передача сигнала

Ø Рецептор брассиностероидов образуется с помощью двух трансмембранных белков (BRI 1 и BAK 1). Имеющие цитоплазматический C-концевой протеинкиназный домен

Ø Распознание брассиностероидов происходит специфическим лиганд-сязывающим доменом BRI 1

Ø После связывания брассиностероидов BRI 1 и BAK 1 соединяются в гетеродимер и происходит аутофосфорилирование протеин киназного домена

Ø Передача сигнала происходит с помощью транскрипционного фактора BES 1 и репрессора BZR 1, которые в отсутствии гормона фосфорилируются киназой BIN 2 и находятся в неактивном состоянии

Ø В присутствии брассиностероидов BIN 2 инактивируется и активируется фосфотаза BSU 1, которая дефосфорилирует (активирует) BES 1 и BZR 1

BES 1 поступает в ядро и активируют экспрессию брассиностероид зависимых генов. BZR 1 терменирует сигнал

12. Система вторичных мессенджеров:

1. Активные формы кислорода и оксид азота NO

2. Сигнальные молекулы пептидов

3. Полиамины

4. Система фосфоинозитидов

5. G-белки

6. Ионные каналы

7. Кальций

8. Протеин киназная система

9. miRNA

Активные формы кислорода

Ø Накопление АФК вызывает окислительный стресс у растения

Ø Включают в себя кислородные радикалы, ионы и пероксиды

Ø В высоких концентрациях ROS токсичны, в низких являются сигнальными молекулами

Ø Образование ROS тесно связана с фосфорилирование белков и кальциевым ответом

Оксид азота NO

Ø Газообразная сигнальная молекула

Ø NO также высокоактивный свободный радикал

Ø NO образуется с помощью аргинин-зависимой NO редуктазы, цитоплазматической нитрат редуктазы, в ЭТЦ митохондрий или через неферментативные реакции

Ø NO взаимодействует с сульфгидрильными группами белков (S-нитрозилирование) и образует S-нитрозотиолы

Ø S-нитрозилирование важная посттрансляционная модификация белков

С помощью NO может происходить инактивация ферментов

Ø Реактивный NO может взаимодействовать с редокс-активными металлами (медь, железо) в структуре белка, образуя нитрозил-лиганды

Ø Нитрозилирование лигандов приводит к инактивации каталитической активности

Сигнальные пептиды

Ø Низкомолекулярные пептиды, состоящие из 10 – 25 аминокислотных остатков

Ø Сигнальные пептиды играют важную роль в координации межклеточных сигналов и контролирования клеточных делений и дифференцировки

Ø Клетки апикальной меристемы остаются плюрипотентными (т.е. в активном клеточном цикле) и образуют другие клетки, которые подвергаются дифференцировке

Ø Клетки находящиеся на стадии дифференцировки и меристемные клетки MOC обмениваются сигнальными пептидами

Ø Сигнальные пептиды имеют характерную аминокислотную последовательность на С-терминальном конце

Ø Пептид clavata 3 (CLV 3) является сигнальным пептидом, контролирующим объем меристематической ткани

Фосфоинозитиды (PPI)

Ø Минорный компонент клеточных мембран (< 1 % от всех фосфолипидов) всех эукариотов

Ø Все фосфоинозитиды образуются из фосфотидилинозитола (PI)

Ø Характерные фосфорилированные группы PPI может распознаваться специфическими ферментами

Ø Фосфатидилинозитол является субстратом для множества разнообразных сигнальных молекул-киназ, которые могут присоединить к инозитолу фосфатную группу (3, 4 и 5 положения)

Передача сигнала через PIP-систему

Ø PIP-система очень чувствительна к изменениям окружающей среды: их количество увеличивается в ответ на стресс (засоление, повышение температуры)

Ø PPI могут расщепляться фосфолипазой С, образуя диацилглицерол и растворимые инозитолфосфаты (сигнальные молекулы), которые являются кофакторами (IP5 и IP6) TIR 1 и COI 1.

Кальциевая сигнальная сеть

Ø Кальций – важный сигнальный фактор в эукариотических организмах

Ø В отсутствии стресса цитоплазматическая концентрация свободного кальция составляет 100 – 200 нМ, что в 10 000 – 100 000 раз ниже концентрации кальция в апопласте и ЭПР

Ø Плазматическая мембрана содержит пассивные кальциевые каналы, которые могут активироваться в ответ на механическое воздействие, различные сигнальные молекулы: инозитолполифосфаты или фитогормоны

Ø Высокие концентрации кальция узнаются с помощью кальций связывающих протеинов и удаляются из цитоплазмы с помощью Ca2+ - насосов

Кальмодулин

Ø Ионы Ca2+ связываются чувствительными белками : кальмодулином (CaM), кальциневрином B (CBL)

Ø Активируют кльций зависимые протеинкиназы

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: