Регуляция генов устойчивости к naci

Пути передачи сигналов, индуцирующих экспрессию генов при солевом стрессе, только начинают изучаться. В подразд. 8.2.5 был рассмотрен путь сиг­нальной трансдукции, включающий гистидинкиназу и МАР-киназный каскад и ответственный за биосинтез осмолитов при осмотическом стрессе. Эти же механизмы участвуют в нейтрализации осмотического эффекта солей, так как включаются неспецифически в ответ на действие любого осмотика. При соле­вом стрессе помимо индукции синтеза белков, вовлеченных в биосинтез осмо­литов, активируются системы ионного гомеостатирования. Поглощенные клет­кой ионы Na⁺ должны быть выведены обратно в наружную среду или компар-тментализованы в вакоули. Это требует активации

Na⁺-нacocoв ПМ и тонопласта. Показано, что экспрессия SOS1 — гена Na⁺/H⁺-антипортера ПМ, и NHX — гена Na⁺/H⁺-антипортера тонопласта, у A. thaliana индуцируются специфиче­ски высокими концентрациями солей. Для путей передачи сигнала, индуциру­ющих экспрессию генов при солевом стрессе, идентифицировано несколько транскрипционных факторов и промоторных элементов.

Недавно у A. thaliana был открыт специфический для Na⁺-стрecca АБК-независимый SOS-путь передачи сигнала, приводящий к экспрессии гена Nа⁺/Н⁺-антипортера ПМ SOS1 (рис. 8.21).

Рис. 8.21. SOS-путь передачи сигнала при индукции биосинтеза Na⁺/H⁺-антипортера высокими концентрациями Na⁺ в среде (по J.-K. Zhu, 2000, с изменениями).

Высокие концентрации Na⁺ приводят к увеличению концентрации Са²⁺ в цитозоле. Са²⁺-зависимая протеинфосфатаза, кальцинейрин (S0S3) связывает Са²⁺ и активирует протеинкиназу, кодируемую геном S0S2. Образующийся комплекс SOS2 —S0S3 индуцирует экспрессию гена Na⁺/ Н⁺-антипортера S0S1. SOS-путь, по-видимому, отвечает также за регуляцию активности S0S1 и, возможно, других ион-транспортирующих систем при солевом стрессе на пост-трансляцион­ном уровне. Экспрессия гена S0S1 и регуляция ион-транспортной активности обеспечивают поддержание ионного гомеостаза при стрессе и вносят вклад в солеустойчивость растений

SOS-путь включает белок кальцинейрин (SOS3), который является Са²⁺- и кальмодулинзависимой протеинфосфатазой. Этот фермент состоит из каталитической А-субъединицы (СnА) и регуляторной В-субъединицы (СnВ) и имеет три EF-лиганда, связывающих Са²⁺. Полная активация фермента нуждается в образовании комплексов Са²⁺-СnВ, и Са²⁺-кальмодулин. В состав SOS-цепи передачи сигнала входит также серин/треонин-протеинкиназа, кодируемая геном SOS2. При функционирова­нии SOS-пути рецептор неизвестной природы воспринимает сигнал (высокие концентрации Na⁺), что приводит к возрастанию концентрации свободного Са²⁺ в цитозоле. SOS3 связывает Са²⁺ и активирует протеинкиназу SOS2, обра­зуя протеинкиназный комплекс SOS2 —SOS3. Активированная протеинкиназа фосфорилирует белки, непосредственно вовлеченные в экспрессию SOS1, а также других генов, в том числе ответственных за транспорт К⁺. SOS-путь мо­жет также регулировать активность других транспортных белков на посттранс­ляционном уровне.

Следует отметить важную роль в сигнальной трансдукции при NaCI- стрес­се цитоплазматического Са²⁺. Наряду с участием в передаче сигнала через SOS-путь ион Са²⁺ выполняет функцию вторичного мессенджера в сигналь­ных путях, включающих протеинкиназы, которые содержат Са²⁺-связывающий домен, подобный Са²⁺-связывающему домену в молекуле кальмодулина. Один из механизмов, приводящих к возрастанию концентрации Са²⁺ в цитоп­лазме, связан с образованием инозитол-1,4,5-трифосфата, который освобож­дает Са²⁺ из вакуолярного компартмента. Другой механизм основан на акти­вации потенциалзависимых Са²⁺-каналов при NaCl-индуцированной деполя­ризации ПМ и входе в клетку содержащегося в апопласте свободного Са²⁺. Экспрессия генов NaCl-индуцируемых белков и регуляция транспортной ак­тивности продуктов этих генов обеспечивают поддержание ионного гомеостаза при стрессе, что наряду с другими механизмами повышает устойчивость растения к NaCI.

Хорошо изучена индукция гена Na⁺-АТФазы плазмалеммы (ENA1) у дрож­жей S. cerevisiae. Индукция осуществляется двумя независимыми механизмами. При относительно низких концентрациях NaCl (0,1 — 0,3 М) сигнал передает­ся через МАР-киназный путь — систему, активируемую неспецифически раз­личными осмотиками (см. подразд. 8.2.5). Недавно транскрипционный фактор Scol был идентифицирован как репрессор ENA1. Инактивируя Scol, осмотик через МАР-киназный путь индуцировал экспрессию ENA1. Этот случай интересен как пример негативной регуляции, при которой стрессор снимает действующую в дострессовых условиях репрессию. Предполагается, что такого рода негативная регуляция осуществляется при экспрессии многих защитных генов.

Индукция ENA1 при высоких концентрациях NaCl (0,6 — 1,0 М) осуществ­ляется через

Са²⁺-активируемый SOS-путь с участием кальцинейрина (рис. 8.22). Последний представляет собой важный детерминант солеустойчивости дрож­жей, так как осуществляет положительную регуляцию гена Nа⁺-транспортирующей АТФазы ENA1, а также гена высокоафинного транспортера К⁺ Trkl.

Как отмечалось выше, степень устойчивости растений к действию стрессо­ра характеризуется обратной корреляцией со скоростью роста. Антагонисти­ческие отношения между процессами роста и акклимации реализуются через сеть путей сигнальной трансдукции. Такого рода сеть в упрощенном виде пред­ставлена на рис. 8.22.

Рис. 8.22. Пути передачи сигналов при экспрессии генов, отвечающих за (7) поддержа­ние ионного гомеостаза, (2) оводненности клеток, (3) детоксикацию и (4) регуляциюростовых процессов (по J.-K.Zhu, 2001, с изменениями).

Через SOS-путь передаются сигналы, активирующие биосинтез ион-транспортирующих белков, например NaVtT-антипортера ПМ (S0S1). МАР-киназный путь отвечает за индукцию биосин­теза осмолитов и соответственно за регуляцию осмотического и тургорного давления. Первич­ные стрессы, ионный и осмотический, индуцируют вторичные стрессы, связанные с образова­нием токсичных соединений, например АФК. Некоторые белки, индуцируемые засухой, засо­лением или низкими температурами, обеспечивают устойчивость к вторичным стрессам. К ним относится, в частности, белок Lea-типа, кодируемый геном RD29A. Эти белки участвуют в детоксикациии и предотвращают повреждения биополимеров. Транскрипционные факторы CBF/ DREB регулируют экспрессию генов, вовлеченных в детоксикацию. Регуляция ионного гомеос­таза, осмотического гомеостаза и детоксикации сопряжена с регуляцией клеточного деления и роста растяжением

Из многообразия ответных реакций растения на высокие концентрации соли виден полигенный характер солеустойчивости. Согласованное функциониро­вание защитных систем, которые включаются в ответ на повышение наружной концентрации соли, следует рассматривать в трех взаимосвязанных аспектах: 1) гомеостаз должен быть восстановлен в новых стрессовых условиях; 2) моле­кулярные повреждения должны быть устранены; 3) рост должен быть возоб­новлен, хотя и с меньшей скоростью.