Тарчевский и а сигнальные системы клеток растений. Сигнальные системы защитных реакций растений к патогенам

ББК 28.57 Т22

Ответственный редакторчленкорреспондент РАНА.И. Гречкин

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессорЛ.Х. Гордон доктор биологических наук, профессорЛ.П. Хохлова

Тарчевский И.А.

Сигнальные системы клеток растений / И.А. Тарчевский; [Отв. ред. А.Н. Гречкин]. -

М.: Наука, 2002. - 294 с: ил. ISBN 5-02-006411-4

Рассматриваются звенья информационных цепей взаимодействия патогенов и растений, включающие элиситоры, рецепторы элиситоров, G-белки, протеинкиназы и проте-инфосфатазы, факторы регуляции транскрипции, репрограммирование экспрессии генов и ответ клеток. Главное внимание уделяется анализу особенностей функционирования отдельных сигнальных систем клеток растений - аденилатциклазной, МАР-киназной, фосфатидатной, кальциевой, липоксигеназной, НАДФН-оксидазной, NO-синтазной и протонной, их взаимодействию и объединению в единую сигнальную сеть. Предлагается классификация патогениндуцированных белков по их функциональным признакам. Приводятся данные о трансгенных растениях с повышенной устойчивостью к патогенам.

Для специалистов в области физиологии растений, биохимиков, биофизиков, генетиков, фитопатологов, экологов, агробиологов.

По сети АК

Plant Cell Signaling Systems /1.A. Tarchevsky; . - M.: Nauka, 2002. - 294 p.; il. ISBN 5-02-006411-4

The book discussed the members of signaling chains of interplay of pathogens and plant-host, namely elicitors, receptors, G-proteins, protein kinases and protein phosphatases, transcription factors reprogramming of genes expression, cell response. The main part of the book is devoted to functioning of separate cell signaling systems: adenylate cyclase, MAP kinase, phosphatidate, calcium, lipoxy-genase, NADPH-oxidase, NO-synthase, protons systems. The concept of interconnections of cell signaling systems and their integration to general cell signaling network is developing. The author has preposed the classification of pathogen-related proteins according to their function properties. The data on transgenic plants with the increased resistance to pathogens are presented.

For physiologists, biochemists, biophysicists, genetics, phytopathologists, ecologists, and agrobiologists

ISBN 5-02-006411-4

© Российская академия наук, 2002 © Издательство "Наука"

(художественное оформление), 2002

В последние годы стремительно развиваются исследования молекулярных механизмов регуляции экспрессии генов под влиянием изменения условий существования. В клетках растений было обнаружено существование сигнальных цепей, которые с помощью специальных белков-рецепторов, в большинстве случаев расположенных в плазмалемме, воспринимают сигнальные импульсы, преобразуют, усиливают и передают их в геном клетки, вызывая репрограммирование экспрессии генов и изменения в обмене веществ (в том числе кардинальные), связанные с включением ранее "молчавших" и выключением некоторых активных генов. Значимость сигнальных систем клеток была продемонстрирована при изучении механизмов действия фитогормонов. Была также показана определяющая роль сигнальных систем в формировании адаптационного синдрома (стресса), вызванного действием на растения абиотических и биотических стрессоров.

Отсутствие обзорных работ, в которых анализировались бы все звенья различных сигнальных систем, начиная с характеристики воспринимаемых сигналов и их рецепторов, преобразования сигнальных импульсов и передачи их в ядро и кончая драматическими изменениями в обмене веществ клеток и их структуре, заставили автора предпринять попытку восполнить этот пробел с помощью предлагаемой вниманию читателей книги. Необходимо учитывать, что исследование информационного поля клеток еще очень далеко от завершения и многие детали его структуры и функционирования остаются недостаточно освещенными. Все это привлекает новых исследователей, для которых обобщение публикаций по сигнальным системам клеток растений будет особенно полезным. К сожалению, не все обзоры

статьи экспериментального характера вошли в список литературы, что в определенной степени зависело от ограниченности объема книги и времени для ее подготовки. Автор приносит извинения коллегам, чьи исследования не были отражены в книге.

Автор выражает благодарость своим сотрудникам, принимавшим участие в совместном исследовании сигнальных систем клеток растений. Особую признательность автор выражает профессору Ф.Г. Каримовой, кандидатам биологических наук В.Г. Яковлевой и Е.В. Асафовой, А.Р. Муха-метшину и доценту Т.М. Николаевой за помощь в подготовке рукописи к печати.

Работа выполнена при финансовой поддержке фонда Ведущей научной школы РФ (гранты 96-15-97940 и 00-15-97904) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант 01-04-48-785).

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших проблем современной биологии является расшифровка механизмов реагирования прокари-отических и эукариотических организмов на изменения условий их существования, особенно на действие экстремальных факторов (стресс-факторов, или стрессоров), вызывающих у клеток состояние стресса.

В процессе эволюции у клеток выработались приспособления, позволяющие воспринимать, преобразовывать и усиливать приходящие из окружающей среды сигналы химической и физической природы и с помощью генетического аппарата реагировать на них, не только адаптируясь к изменившимся условиям, перестраивая свои обмен веществ и структуру, но и выделяя различные летучие и нелетучие соединения во внеклеточное пространство. Одни из них выполняют роль защитных веществ против патогенов, другие могут рассматриваться в качестве сигнальных молекул, вызывающих ответ других клеток, расположенных на большом расстоянии от места действия на растения первичного сигнала.

Можно считать, что все эти адаптивные события происходят в результате изменений в информационном поле клеток. Первичные сигналы с помощью различных сигнальных систем вызывают реакцию со стороны генома клеток, проявляющуюся в репрограммировании экспрессии генов. По сути дела, сигнальные системы регулируют работу основного вместилища информации - молекул ДНК. С другой стороны, они сами находятся под контролем генома.

Впервые в нашей стране целенаправленно исследовать сигнальные системы клеток начали Е.С. Северин [Северин, Кочеткова, 1991] на животных объектах и О.Н. Кулаева [Кулаева и др., 1989; Kulaeva,1990; Kulaeva et al., 1992; Кулаева, 1995;

Бурханова и др., 1999] - на растительных.

В представляемой вниманию читателей монографии содержится обобщение результатов изучения влияния биотических стрессоров на функционирование сигнальных систем клеток растений. В настоящее время интенсивно исследуются МАР-киназная, аденилатциклазная, фос-фатидатная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-окси-дазная, NO-синтазная и протонная сигнальные системы и их роль в онтогенетическом развитии растений и в формировании ответа на изменяющиеся условия существования, особенно на действие различных абиотических и биотических стрессоров. Автор решил сосредоточить внимание лишь на последнем аспекте этой проблемы - на молекулярных механизмах ответа растений на действие патогенов, тем более что в этот ответ вовлечен целый ряд фито-гормонов и выяснение особенностей взаимодействия с ними сигнальных систем клеток растений привлекает большое внимание исследователей.

Воздействие биотических стрессоров приводит к ответу растений, в основных чертах сходному с ответом на абиотические стрессоры . Он характеризуется совокупностью неспецифических реакций, что и позволило называть его адаптационным синдромом, или стрессом. Естественно, что могут обнаруживаться и специфические черты ответа, зависящие от вида стрессора, однако с усилением меры его воздействия на первый план все в большей степени начинают выступать неспецифические изменения [Меерсон, 1986; Тарчевский, 1993]. Наибольшее внимание им было уделено Н.С. Введенским (представления о парабиозе), Д.С. Насоновым и В.Я. Александровым (представления о паранекрозе), Г. Селье - в работах, посвященных стрессу у животных, В.Я. Александровым - в исследованиях молекулярных основ стресса.

К числу наиболее значительных неспецифических изменений при биотическом стрессе можно отнести следующие:

1. Фазность в развертывании во времени ответа на действие патогена.

2. Усиление катаболизма липидов и биополимеров.

3. Повышение в тканях содержания свободных радикалов.

4. Подкисление цитозоля с последующей активацией протонных помп, что возвращает рН к исходному значению.

5. Повышение в цитозоле содержания ионов кальция с последующей активацией кальциевых АТФаз.

6. Выход из клеток ионов калия и хлора.

7. Падение мембранного потенциала (на плазмалемме).

8. Снижение общей интенсивности синтеза биополимеров и

9. Прекращение синтеза некоторых белков.

10. Усиление синтеза или синтез отсутствовавших так называемых патогениндуцируемых защитных белков (хитиназ, (3-1,3-глюканаз, ингибиторов протеиназ и др.).

11. Интенсификация синтеза укрепляющих клеточные стенки компонентов - лигнина, суберина, кутина, каллозы, богатого оксипролином белка.

12. Синтез антипатогенных нелетучих соединений -

фитоалексинов.

13. Синтез и выделение летучих бактерицидных и фунгицидных соединений (гексеналей, ноненалей, терпенов и

Др->- 14. Усиление синтеза и повышение содержания (или по

явление) стрессовых фитогормонов - абсцизовой, жасмоновой, салициловой кислот, этилена, гормона пептидной природы системина.

15. Торможение фотосинтеза.

16. Перераспределение углерода из |4 СО2 , усвоенного в процессе фотосинтеза, среди различных сое динений - уменьшение включения метки в высокополимерные соединения (белки, крахмал) и сахарозу и усиление (чаще относи тельное - в процентах от усвоенного углерода) - в аланин, малат, аспартат [Тарчевский, 1964].

17. Усиление дыхания с последующим его торможением. Активация альтернативной оксид азы, изменяющей направленность электронного транспорта в митохондриях.

18. Нарушения ультраструктуры - изменение тонкой гранулярной структуры ядра, уменьшение числа полисом и диктиосом, набухание митохондрий и хлоропластов, умень шение в хлоропластах числа тилакоидов, перестройка цито-

скелета .

19. Апоптоз (программируемая смерть) клеток, подверг шихся воздействию патогенов, и соседних с ними.

20. Появление так называемой системной неспецифиче

ской устойчивости к патогенам в удаленных от места воздействия патогенов участках (например, метамерных органах) растения.

Многие из перечисленных выше изменений являются следствием "включения" стрессорами относительно небольшого числа неспецифических сигнальных систем.

По мере все более глубокого изучения механизмов ответных реакций растений на действие патогенов обнаруживаются новые неспецифичные ответные реакции клеток растений. К ним относятся и неизвестные ранее сигнальные пути.

При выяснении особенностей функционирования сигнальных систем необходимо иметь в виду, что эти вопросы являются частью более общей проблемы регуляции функционирования генома. Следует заметить, что универсальность структуры основных носителей информации клеток различных организмов - ДНК и генов - предопределяет унификацию и тех механизмов, которые обслуживают реализацию этой информации [Гречкин, Тарчевский, 2000]. Это касается репликации ДНК и транскрипции, структуры и механизма действия рибосом, а также механизмов регуляции экспрессии генов изменяющимися условиями существования клеток с помощью набора в значительной степени универсальных сигнальных систем. Звенья сигнальных систем также в основном унифицированы (природа, найдя в свое время оптимальное структурное и функциональное решение биохимической или информационной задачи, сохраняет и тиражирует его в процессе эволюции). В большинстве случаев самые разнообразные химические сигналы, поступающие из окружающей среды, улавливаются клеткой с помощью специальных "антенн" - рецепторных белковых молекул, пронизывающих клеточную мембрану и выступающих над ее поверхностями с наружной и внутрен-

ней стороны. Несколько типов строения этих рецепторов унифицированы у клеток растений и животных. Некова -лентное взаимодействие внешнего участка рецептора с той или иной сигнальной молекулой, поступающей из среды, окружающей клетку, приводит к изменению конформации рецепторного белка, которое передается на внутренний, ци-топлазматический участок. В большинстве сигнальных систем с ним контактируют посреднические G-белки - еще одно унифицированное (по своим структуре и функциям) звено сигнальных систем. G-белки выполняют функции преобразователя сигналов, передавая сигнальный конформаци-онный импульс на стартовый фермент, специфичный для той или иной сигнальной системы. Стартовые ферменты одного типа сигнальной системы у различных объектов также универсальны и имеют протяженные участки с одной и той же последовательностью аминокислот. Одним из важнейших унифицированных звеньев сигнальных систем являются протеинкиназы (ферменты, переносящие концевой остаток ортофосфорной кислоты с АТФ на те или иные белки), активируемые продуктами стартовых сигнальных реакций или их производными. Фосфорилированные с помощью протеинкиназ белки являются следующими звеньями сигнальных цепей. Еще одно унифицированное звено сигнальных систем клеток - это белковые факторы регуляции транскрипции, которые представляют собой один из субстратов протеинкиназных реакций. Структура этих белков также в значительной степени унифицирована, а модификации структуры определяют принадлежность факторов регуляции транскрипции к той или иной сигнальной системе. Фосфорилирование факторов регуляции транскрипции обусловливает изменение конформации этих белков, их активацию и последующее взаимодействие с промоторным участком определенного гена, что приводит к изменению интенсивности его экспрессии (индукции или репрессии), а в крайних случаях - к "включению" некоторых молчавших генов или "выключению" активных. Репрограммирование экспрессии совокупности генов генома вызывает изменение соотношения белков в клетке, что и является основой ее функционального ответа. В отдельных случаях химический сигнал из внешней среды может взаимодействовать с рецептором, расположенным внутри клетки - в цитозоле или да-

Рис. 1. Схема взаимодействия внешних сигналов с рецепторами клетки

1 , 5 , 6 - рецепторы, расположенные в плазмалемме; 2 ,4 - рецепторы, находящиеся в цитозоле; 3 - стартовый фермент сигнальной системы, локализованный в плазмалемме; 5 - рецептор, активирующийся под влиянием неспецифического изменения структуры липидной составляющей плазмалеммы; СИБ - сигналиндуцированные белки; ФРТ -белковые факторы регуляции транскрипции; i|/ - изменение мембранного потенциала

же ядре (рис. 1). В клетках животных такими сигналами являются, например, стероидные гормоны. Этот информационный путь имеет меньшее число интермедиатов, в связи с чем у него и меньше возможностей для регуляции со стороны клетки.

В нашей стране всегда уделялось большое внимание проблемам фитоиммунитета. Этой проблеме посвящен ряд монографий и обзоров отечественных ученых [Сухоруков, 1952; Вердеревский, 1959; Вавилов, 1964; Горленко, 1968; Рубин и др., 1975; Метлицкий, 1976; Токин, 1980;

Метлиц-кий и др., 1984; Метлицкий, Озерецковская, 1985; Курсано-ва, 1988; Ильинская и др., 1991; Озерецковская и др., 1993; Кораблева, Платонова, 1995; Чернов и др., 1996; Тарчев-ский, Чернов, 2000].

В последние годы особое внимание уделяется молекулярным механизмам фитоиммунитета. Было показано, что

при инфицировании растений включаются различные сигнальные системы, которые воспринимают, умножают и передают сигналы от патогенов в генетический аппарат клеток, где происходит экспрессия защитных генов, позволяющая растениям организовать как структурную, так и химическую защиту от патогенов. Успехи в этой области связаны с клонированием генов, расшифровкой их первичной структуры (в том числе промоторных участков), структуры кодируемых ими белков, использованием активаторов и ингибиторов отдельных звеньев сигнальных систем, а также мутантов и трансгенных растений с внедренными генами, отвечающими за синтез участников рецепции, передачи и усиления сигналов. В исследовании сигнальных систем клеток растений важную роль играет конструирование трансгенных растений с промоторами генов белков-участников сигнальных систем.

В настоящее время сигнальные системы клеток растений при биотическом стрессе наиболее интенсивно изучаются в Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН, Казанском институте биохимии и биофизики РАН, Институте физиологии растений РАН, Пущинском филиале Института биоорганической химии РАН, центре "Биоинженерия" РАН, Московском и Санкт-Петербургском государственных университетах, Всероссийском научноисследовательском институте сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН, Всероссийском научноисследовательском институте фитопатологии РАСХН и др.

Проблема расшифровки молекулярных механизмов биотического стресса, в том числе роли в его развитии сигнальных систем, объединила на протяжении последних десяти с лишним лет физиологов и биохимиков растений, микробиологов, генетиков, молекулярных биологов, фитопатологов. Публикуется большое количество экспериментальных и обзорных статей по различным аспектам этой проблемы (в том числе в специальных журналах:

"Physiological and Molecular Plant Pathology", "Molecular Plant - Microbe Interactions", "Annual Review of Plant Physiology and Pathology"). В то же время в отечественной литературе отсутствует обобщение работ, посвященных сигнальным системам клеток, что и привело автора к необходимости написания предлагаемой читателям монографии.

ПАТОГЕНЫ И ЭЛИСИТОРЫ

Болезни растений вызывают тысячи видов микроорганизмов, которые можно разделить на три группы : вирусы (более 40 семейств) и вироиды; бактерии (Agrobacterium, Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Streptomyces) и

микоплазмоподобные микроорганизмы; грибы (низшие:

Plasmodiophoromycetes, Chitridomycetes, Oomycetes: высшие: Ascomycetes, Basidi-omycetes, Deuteromycetes).

тез з ащитных ферментов: фенилаланин -аммиак-лиазы

И анионной пероксидазы . Бескрылые формы, относящиеся к этому подклассу, появились в результате утраты этих органов в процессе эволюции крылатых форм. Подкласс насчитывает 20 отрядов насекомых, среди которых имеются полифаги, не обладающие специфичностью по отношению к растению, олигофаги и монофаги, у которых ярко выражена специфичность взаимодействия патогена и растения-хозяина. Одни насекомые питаются листьями (всей листовой пластинкой или скелети-руя лист), другие - стеблями (в том числе выгрызая стебель изнутри), завязями цветов, плодами, корнями. Тли и цикады высасывают сок из проводящих сосудов с помощью хоботка или стилета.

Несмотря на принимаемые меры борьбы с насекомыми, продолжает оставаться злободневной проблема уменьшения причиняемого ими вреда. В настоящее время свыше 12% урожая сельскохозяйственных растений на планете теряется в результате атаки на них патогенных микроорганизмов,

нематод и насекомых .

Повреждение клеток приводит к деградации их содержимого, например высокополимерных соединений, и появлению олигомерных сигнальных молекул. Эти "обломки кораблекрушения" [Тарчевский, 1993] достигают соседних клеток и вызывают в них защитную реакцию, включающую изменение экспрессии генов и образования кодируемых ими защитных белков. Часто механическое повреждение растений сопровождается их инфицированием, так как открывается раневая поверхность, через которую в растение проникают патогены. Кроме того, в ротовых органах насекомых могут обитать фитопатогенные микроорганизмы. Известно, например, что переносчиками микоплазмен-ной инфекции являются цикады, у которых взрослые формы и личинки питаются соком ситовидных сосудов растений, прокалывая хоботком-стилетом покровы листьев и

Рис. 2. Схема взаимодействия клетки патогена с растением -хозяином / - кутиназа; 2 - продукты деградации компонентов кутикулы (возможно,

обладающие сигнальными свойствами); 3 - (3-глюканаза и другие гликозилазы, экскретируемые патогеном; 4 - элиситоры - фрагменты клеточной стенки (КС) хозяина; 5 - хитиназы и другие гликозилазы, действующие разрушающе на КС патогена; 6 - элиситоры - фрагменты КС патогена; 7 - фитоалексины - ингибиторы протеиназ, кутиназ, гликози-лаз и других ферментов патогена; 8 - токсические вещества патогена; 9 - укрепление КС хозяина за счет активации пероксидаз и усиления синтеза лигнина, отложения оксипролиновых белков и лектинов; 10 - индукторы сверхчувствительности и некроза соседних клеток; // - продукты деградации кутина, действующие на клетку патогена

молодых стеблей. Розанная цикадка, в отличие от других представителей цикадовых, высасывает содержимое клеток. Цикады производят меньшее повреждение тканей растений, чем листогрызущие насекомые, тем не менее растения могут на него реагировать так же, как на сопряженное с ним инфицирование растений.

При контакте с растениями клетки патогенов выделяют различные соединения, обеспечивающие их проникновение в растение, питание и развитие (рис. 2). Некоторые из этих соединений являются токсинами, которые патогенные микроорганизмы выделяют для ослабления сопротивляемости хозяина. В настоящее время описано более 20 хозяинспецифичных токсинов, продуцируемых патогенными грибами.

Рис. 3. Фитотоксичное соединение из Cochlio-bolus carbonum

Бактерии и грибы образуют также неселективные токсины, в частности фузикокцин, эрихосетен, коронатин, фазе-олотоксин, сирингомицин, табтоксин .

Один из хозяин-специфичных токсинов, выделяемых

Pyrenophora triticirepentis, - это белок 13,2 кДа, другие являются продуктами вторичного метаболизма, имеющими самую разнообразную структуру - это поликетиды, терпено-иды, сахариды, циклические пептиды и т.д.

Как правило, к последним относятся пептиды, синтез которых происходит вне рибосом и которые содержат остатки D- аминокислот. Например, хозяин-специфичный токсин из Cochliobolus carbonum имеет тетрапептидную циклическую структуру (D-npo-L-ana-D-ana-L-A3JJ), где последняя аббревиатура означает 2-амино-9,10-эпокси-8-оксо-де-каноевую кислоту (рис. 3). Токсин образуется в клетках патогена с помощью токсинсинтазы. Устойчивость к этому соединению у кукурузы зависит от гена, кодирующего НАДФН-зависимую карбонил-редуктазу, восстанавливающую карбонильную группу, что приводит к

деактивации токсина. Оказалось, что в организме растения-хозяина токсин вызывает ингибирование гистон-деацетилаз и, как следствие, сверхацетилирование гистонов. Это подавляет защитный ответ растения, вызываемый инфицированием патогенами .

Другой тип соединений, выделяемых патогенами, получил название элиситоров (от англ. elicit - выявлять, вызывать). Собирательный термин "элиситор" был предложен впервые в 1972 г. для обозначения химических сигналов, возникающих в местах инфицирования растений патогенными микроорганизмами, и получил широкое распространение.

Элиситоры играют роль первичных сигналов и приводят в действие сложнейшую сеть процессов индукции и регуляции фитоиммунитета. Это проявляется в синтезе защитных белков, нелетучих растительных антибиотиков - фитоалек-синов, в выделении антипатогенных летучих соединений и др. В настоящее время охарактеризована структура множества природных элиситоров. Некоторые из них продуцируются микроорганизмами, другие (вторичные элиситоры) образуются при ферментативном расщеплении высокополимерных соединений кутикулы и полисахаридов клеточных стенок растений и микроорганизмов, третьи представляют собой стрессовые фитогормоны, синтез которых в растениях индуцируется патогенами и абиогенными стрессорами. К числу важнейших элиситоров относятся белковые соединения, экскретируемые патогенными бактериями и грибами, а также белки оболочки вирусов . Наиболее изученными белковыми элиситорами можно считать небольшие (10 кДа), консервативные, гидрофильные, обогащенные цистеином элиситины, секретируе-мые всеми исследовавшимися видами

Phytophthora и Pythium . К ним относится, например, криптогеин .

Элиситины вызывают сверхчувствительность и отмирание инфицированных клеток, особенно у растений рода Nicotiana . Наиболее интенсивное образование фитофторой элиситинов происходит при росте ми-

Обнаружено, что элиситины способны переносить сте-ролы через мембраны, так как имеют стеролсвязывающий сайт . Многие патогенные грибы сами не могут синтезировать стеролы, что делает понятной роль элиситинов не только в питании микроорганизмов, но и в индуцировании защитной реакции растений. Из фитофторы был выделен гликопротеидный элиситор 42 кДа . Его активность и связывание с белковым рецептором плазмалеммы, мономерная форма которого представляет собой белок 100 кДа , обеспечивалась олигопептидным фрагментом из 13 аминокислотных остатков. Расоспецифичный элиситорный пептид, состоящий из 28 остатков аминокислот с тремя дисуль-фидными группами, удалось получить из фитопатогенного гриба Cladosporium fulvum , причем образовывался пептид из предшественника, содержавшего 63 аминокислоты. Этот фактор авиру-лентности обнаруживал структурную гомологию с рядом небольших пептидов, таких как ингибиторы карбоксипеп-тидазы и блокаторы ионных каналов , и связывался рецепторным белком плазмалеммы, по-видимому, вызывая его модуляцию, димеризацию и передачу сигнального импульса в сигнальные системы . Из более крупного пре-протеина Cladosporium fulvum, состоящего из 135 аминокислот, в ходе посттрансляционного процессинга образуется элиситорный белок, насчитывающий 106 аминокислот. Элиситорные белки, продуцируемые ржавчинным грибом Uromyces vignae, представляют собой два небольших полипептида 5,6 и 5,8 кДа, по свойствам непохожие на другие элиситины . Среди бактериальных белковых элиситоров наиболее изучены харпины

Многие фитопатогенные бактерии продуцируют элиситорные олигопептиды (созданы их синтетиче-

ские аналоги), соответствующие наиболее консервативным участкам белка - флагеллина ,

являющегося важным фактором вирулентности этих бактерий. Из Erwinia amylovora выделен новый элиситорный белок, С-область которого гомологична ферменту пектатлиазе, способной вызывать появление эли-ситорных олигомерных фрагментов - продуктов деградации пектина . Патогенная бактерия Erwinia carotovora экскретирует элиситорный белок харпин и ферменты пектатлиазу, целлюлазу, полигалактуроназу и протеазы, гидролизующие полимерные компоненты клеточных стенок растенияхозяина (см. рис. 2), в результате чего образуются олигомерные элиситорные молекулы . Интересно, что пектатлиаза, выделяемая Erwinia chrysanthemi ,

приобретала активность в результате внеклеточного процессинга. Некоторые липиды и их производные также относятся к

элиситорам, в частности 20-углеродные полиненасыщенные жирные кислоты некоторых патогенов - арахидоно-вая и эйкозапентаеновая [Ильинская и др., 1991; Озерец-ковская и др., 1993; Озерецковская, 1994; Гилязетдинов и др., 1995; Ильинская и др., 1996а, б; Ильинская, Озерец-ковская, 1998], и их оксигенированные производные. В обзорной работе [Ильинская и др., 1991] обобщаются данные об элиситорном действии на растения липидов (липопро-теинов), продуцируемых патогенными грибами. Оказалось, что элиситорным эффектом обладает не белковая часть липопротеинов, а их липидная часть, представляющая собой не свойственные для высших растений арахидоно-вую (эйкозатетраеновую) и эйкозопентаеновую кислоты. Они вызывали образование фитоалексинов, некротиза -цию тканей и системную устойчивость растений к различным патогенам. Продукты липоксигеназного превращения в тканях растений С20 жирных кислот (гидроперокси-, гидрокси-, оксо-, циклические производные, лейкотрие-ны), образующиеся в клетках растения-хозяина с помощью ферментного липоксигеназного комплекса (субстратами которого могут быть как С,8 , так и С20 полиеновые жирные кислоты), оказывали сильнейшее влияние на защитную реакцию растений. Это объясняется, по-видимому, тем, что в неинфицированных растениях нет оксиге-

нированных производных 20-углеродных жирных кислот, и их появление в результате инфицирования приводит к драматическим результатам, например к образованию некрозов вокруг инфицированных клеток, что создает барьер для распространения патогенов по растению.

Имеются данные, что индуцирование патогеном липоксигеназной активности приводило к формированию ответной реакции растения и в том случае, когда элиситор не содержал С20 жирных кислот и субстратом липоксигеназной активности могли быть только собственные С18 полиеновые жирные кислоты, а продуктами - октадеканоиды, а не эйкозаноиды. Элиситорными свойствами обладают также сиринголиды [Л et al., 1998] и цереброзиды - сфинголипид-ные соединения . Цереброзиды А и С, изолированные из Magnaporthe grisea, были наиболее активными элиситорами для растений риса. Продукты деградации цереброзидов (метиловые эфиры жирных кислот, сфинго-идные основания, гликозил-сфингоидные основания) не обнаруживали элиситорной активности.

Некоторые элиситоры образуются в результате действия на ткани растений гидролаз, выделяемых патогенами. Назначение гидролаз двоякое. С одной стороны, они обеспечивают питание патогенов, необходимое для их развития и размножения, с другой - разрыхляют механические барьеры, стоящие на пути проникновения патогенов в места их обитания в растениях.

Одним из таких барьеров является кутикула, состоящая главным образом из гетерополимера кутина, погруженного в воск. Обнаружено более 20 мономеров, из которых состоит кутин

Это различной длины насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты и спирты, в том числе гидроксилированные и эпокси-дированные, дикарбоксиловые длинноцепочечные кислоты и т.д. В кутине большинство первичных спиртовых групп участвует в образовании эфирных связей, так же как часть вторичных спиртовых групп, обеспечивающих сшивки между цепями и точки ветвления в полимере. Часть другого "барьерного" полимера - суберина, по составу близка к кутину. Главное его отличие в том, что свободные жирные кислоты являются основным компонентом субериновых восков, в то время как в кутине их очень мало. Кроме того, в суберине

присутствуют главным образом С22 и С24 жирные спирты, в то время как в кутине - С26 и С28 . Для преодоления поверхностного механического барьера растений многие патогенные грибы выделяют ферменты, гидролизу-ющие кутин и часть составляющих суберина. Продуктами кутиназной реакции были различные оксигенированные жирные кислоты и спирты , в основном 10,16- дигидрокси-Ск,- и 9,10,18-тригидрокси-С|8 -кислоты, представляющие собой сигнальные молекулы, индуцирующие в прорастающей споре гриба образование и выделение дополнительных количеств кутиназы, "разъедающих" кутин и облегчающих проникновение гриба внутрь растения. Было обнаружено, что лаг-период появления у гриба кутиназной мРНК после начала образования упомянутых выше ди- и триоксикислот составляет всего 15 мин, а выделения дополнительной кутиназы - в два раза больший. Повреждение гена кутиназы у Fusarium solani сильно снижало степень вирулентности этого гриба . Ингибирование кутиназы с помощью химических препаратов или антител предотвращало инфицирование растений. Предположение о том, что оксигенированные продукты деградации кути-на могут выступать в роли не только индукторов образования кутиназы у патогенов, но и элиситоров защитных реакций у растения-хозяина [Тарчевский, 1993], впоследствии подтвердилось .

После проникновения патогенных микроорганизмов через кутикулу одни из них перемещаются в проводящие пучки растений и используют для своего развития имеющиеся там питательные вещества, а другие транспортируются внутрь живых клеток хозяина. В любом случае патогены встречаются с еще одним механическим барьером - клеточными стенками, состоящими из различных полисахаридов и белков и в большинстве случаев укрепленными жестким полимером - лигнином [Тарчевский, Марченко, 1987; Tarchevsky, Marchenko, 1991]. Как уже упоминалось выше, для преодоления этого барьера и обеспечения своего развития углеводным и азотным питанием патогены выделяют ферменты, гидролизующие полисахариды и белки клеточных стенок.

Специальные исследования показали, что при взаимодействии бактерий и тканей растения-хозяина ферменты

деградации появляются не одновременно. Например, пектилметилэстераза присутствовала и в неинокулированных бактерией Erwinia carotovora subsp. atroseptia тканях клубней картофеля , тогда как полигалактуроназная, пектатлиазная, целлюлазная, протеазная и ксила-назная активности появлялись соответственно через 10, 14, 16, 19 и 22 ч после инокуляции.

Оказалось, что олигосахаридные продукты деградации полисахаридов клеточных стенок растений обладают элиситорными свойствами. Но активные олигосахариды могут образовываться и полисахаридами, входящими в со став клеточных стенок патогенов. Известно, что одним из способов защиты растений от патогенных микроорганизмов является образование после инфицирования и выделение за пределы плазмалеммы ферментов - хитиназы и β-1,3-глюканазы, гидролизующих полисахариды хитин и β-1,3-полиглюканы клеточных стенок патогенов, что приводит к подавлению их роста и развития. Обнаружено, что олигосахаридные продукты такого гидролиза являются и активными элиситорами защитных реакций растений. В результате действия олигосахаридов повышается устойчивость растений к бактериальной, грибной или вирусной инфекции .

Олигосахаридным элиситорам, их строению, активности, рецепторам, "включению" ими сигнальных систем клеток, индукции экспрессии защитных генов, синтезу фитоалексинов, реакции сверхчувствительности и другим ответам растений посвящен целый ряд обзорных статей .

В лаборатории Элберсгейма , а затем в ряде других лабораторий показано, что олигогликозиды, образующиеся в результате патогениндуцированной эндогликозидазной деградации гемицеллюлоз и пектиновых веществ растений, хитина и хитозана грибов, могут играть роль биологически активных веществ. Было даже предложено считать их новым классом гормонов ("олигосахаринов", в отличие от олигосахаридов, не обладающих активностью). Образование олигосахаридов в результате гидролиза полисахаридов, а не в ходе синтеза из моносахаридов было показано на примере

Действие элиситорных препаратов обусловлено наличием в их составе особых биологически активных веществ. По современным представлениям сигнальные вещества или элиситоры - это биологически активные соединения различной природы, которые в очень низких дозировках, измеряемых мили-, микро-, а в отдельных случаях - и нанограммами, вызывают каскады различных ответных реакции растений на генетическом, биохимическом и физиологическом уровнях. Воздействие их на фитопатогенные организмы осуществляется посредством влияния на генетический аппарат клеток и изменения физиологии самого растения, придания ему большей жизнестойкости, сопротивляемости различным негативным факторам среды.

Взаимоотношение растений с окружающим миром, как высокоорганизованных элементов экологических систем, осуществляется путем восприятия физических и химических сигналов, поступающих извне и корректирующих все процессы их жизнедеятельности посредством влияния на генетические структуры, иммунную и гормональную системы. Исследование сигнальных систем растений - это одно из самых многообещающих направлений в современной клеточной и молекулярной биологии. В последние десятилетия учеными достаточно много внимания уделялось изучению сигнальных систем, отвечающих за устойчивость растений к фитопатогенам .

Биохимические процессы, происходящие в клетках растений, строго скоординированы целостностью организма, которая дополняется их адекватными реакциями на потоки информации, связанные с различными воздействиями биогенных и техногенных факторов. Эта координация осуществляется за счет работы сигнальных цепей (систем), которые сплетаются в сигнальные сети клеток. Сигнальные молекулы включают в работу большинство гормонов, как правило, не проникая внутрь клетки, а взаимодействуя с молекулами-рецепторами внешних клеточных мембран. Эти молекулы представляют собой интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых пронизывает толщу мембраны. Разнообразные молекулы, инициирующие трансмембранную передачу сигналов, активируют рецепторы в нано-концентрациях (10-9-10-7 М). Активированный рецептор передает сигнал внутриклеточным мишеням - белкам, ферментам. При этом модулируется их каталитическая активность или проводимость ионных каналов. В ответ на это формируется определенный клеточный ответ, который, как правило, заключается в каскаде последовательных биохимических реакций. Помимо белковых посредников в передаче сигналов могут участвовать и относительно небольшие молекулы-мессенджеры, функционально являющиеся посредниками между рецепторами и клеточным ответом. Примером внутриклеточного мессенджера является салициловая кислота, участвующая в индукции стрессовых и иммунных реакций растений. После выключения сигнальной системы мессенджеры быстро расщепляются или (в случае катионов Са) откачиваются через ионные каналы. Таким образом, белки образуют своеобразную «молекулярную машину», которая, с одной стороны, воспринимает внешний сигнал, с другой, - обладает ферментной или иной активностью, моделируемой этим сигналом .

В многоклеточных растительных организмах передача сигнала осуществляется через уровень общения клеток. Клетки «разговаривают» на языке химических сигналов, что позволяет осуществлять гомеостаз растения как целостной биологической системы. Геном и сигнальные системы клеток образуют сложную самоорганизующуюся систему или своеобразный «биокомпьютер». Жестким носителем информации в нем является геном, а сигнальные системы играют роль молекулярного процессора, выполняющего функции оперативного управления. В настоящее время мы располагаем только самыми общими сведениями о принципах работы данного чрезвычайно сложного биологического образования. Во многом остаются еще невыясненными молекулярные механизмы сигнальных систем. Среди решения многих вопросов предстоит расшифровка механизмов, обусловливающих временный (преходящий) характер включения тех или иных сигнальных систем, и в то же время, длительную память об их включении, проявляющуюся, в частности, в приобретении системного пролонгированного иммунитета .

Между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь: с одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой - сигнальные системы управляются геномом, экспрессируя одни и супрессируя другие гены. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промоторные участки генов, программирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клетки, например, индукцию иммунитета к фитопатогенам .

В качестве сигнальных молекул или элиситоров, проявляющих индукционную активность, могут выступать различные органические соединения-лиганды и их комплексы: аминокислоты, олигосахариды, полиамины, фенолы, карбоновые кислоты и эфиры высших жирных кислот (арахидоновая, эйкозапентаеновая, олеиновая, жасмоновая и др.), гетероциклические и элементоорганические соединения, в том числе некоторые пестициды и др. .

К вторичным элиситорам, образующимся в клетках растений при действии биогенных и абиогенных стрессоров и включающимся в сигнальные сети клеток, относят фитогормоны: этилен, абсцизовую, жасмоновую, салициловую кислоты, а

также полипептид системин и некоторые другие соединения, которые вызываютэкспрессию защитных генов, синтез соответствующих белков, образование фитоалексинов (специфические вещества, обладающие антимикробным действием и вызывающие гибель патогенных организмов и пораженных клеток растений) и, в конечном итоге, способствуют формированию системной устойчивости у растений к негативным факторам среды .

В настоящее время наиболее изучены семь сигнальных систем клеток: циклоаденилатная, MAP-киназная (mitogen-activated protein-kinase), фосфатидокислотная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-оксидазная (супероксидсинтазная), NO-синтазная. Ученые продолжают открывать новые сигнальные системы и их биохимических участников .

Растения в ответ на атаку патогенов могут использовать различные пути формирования системной устойчивости, которые запускаются разными сигнальными молекулами. Каждый из элиситоров, воздействуя на жизнедеятельность растительной клетки по определенному сигнальному пути, через генетический аппарат, вызывает широкий комплекс реакций, как защитного (иммунного), так и гормонального характера, приводящих к изменению свойств самих растений, что позволяет им противостоять целому комплексу стрессовых факторов. При этом в растениях осуществляется ингибирующее или синергирующее взаимодействие различных сигнальных путей, сплетающихся в сигнальные сети .

Индуцированная устойчивость по проявлению сходна с генетически обусловленной горизонтальной устойчивостью, с той лишь разницей, что характер ее определяется фенотипическими изменениями генома. Тем не менее, она обладает определенной стабильностью и служит примером фенотипической иммунокоррекции растительной ткани, поскольку в результате обработки веществами элиситорного действия изменяется не геном растений, а лишь его функционирование, связанное с уровнем активности защитных генов .

Определенным образом эффекты, возникающие при обработке растений иммуноиндукторами, родственны генной модификации, отличаясь от нее отсутствием количественных и качественных изменений самого генофонда. При искусственной индукции иммунных реакций наблюдаются только фенотипические проявления, характеризующиеся изменениями активности экспрессированных генов и характера их функционирования . Тем не менее, вызванные обработкой фитоактиваторами растений изменения обладают определенной степенью стойкости, что проявляется в индукции пролонгированного системного иммунитета, поддерживающегося в течение 2-3 и более месяцев, а также в сохранении приобретенных свойств растениями в течение 1-2 последующих репродукций .

Характер действия определенного элиситора и достигаемые эффекты находятся в самой тесной зависимости от силы формируемого сигнала или используемой дозировки. Данные зависимости, как правило, имеют не прямолинейный, а синусоидальный характер, что может служить доказательством переключения сигнальных путей при их ингибирующих или синергирующих взаимодействиях .Установлено также, что в условиях действия стрессовых факторов растения положительно реагируют на более низкие дозировки фитоактиваторов, что свидетельствует о более высокой выраженности их адаптогенного действия. Напротив, обработка данными веществами в больших дозировках, как правило, вызывала десенсибилизационные процессы в растениях, резко снижая иммунный статус растений и приводя к усилению восприимчивости растений к заболеваниям .

АВ11 и АВ12 играют ключевую роль в АБК-индуциро-

ванном сигнальном пути . Наблюдались рН-зависимая и М§2+ -зависимая акти-

вация ABU .

У протеинфосфатаз МР2С основной мишенью является МАРККК, активируемая при воздействии различных стрессоров. Такая специфика становится объяснимой, если учесть, что у некоторых протеинфосфатаз обнаружены места связывания с соответствующими им протеинкиназами

Участниками сигналь-

ных систем клеток. Это позволяет обеспечивать существование комплекса протеинкиназа-протеинфосфатаза и своевременно и эффективно блокировать преобразование и передачу в геном сигнального импульса. Принцип работы этого механизма достаточно прост: накопление определенной протеинкиназы - интермедиата сигнальной цепи - активирует фосфопротеин-фосфатазу и приводит к дефосфорилированию (инактивации) протеинкиназы. Например, активация некоторых протеинкиназ может привести к фосфорилированию и активации соответствующих протеинфосфатаз. При исследовании функционирования протеинфосфатаз часто используют специфические ингибиторы, например окадаевую кислоту и каликулин .

ФАКТОРЫ РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ

Синтез матричных РНК катализируется ДНК-зависи- мыми РНК-полимеразами"- одними из наиболее крупных белковых комплексов, состоящих из двух больших и 5- 13 малых субъединиц, что определяется сложностью и важностью их фу нкций. Эти субъединицы имеют консервативные последовательности аминокислот, в большей или меньшей степени общие для животных и растений, iАктивность РНК-полимеразы и узнавание транскрибируемых генов регулируются с помощью нескольких типов белков. Наибольшее внимание привлекают факторы регуляции транскрипции." Эти белки способны взаимодействовать с другими белками, в том числе с идентичными, изменять конформацию при фосфорилировании нескольких входящих в их состав аминокислот,[узнавать регуляторные последовательности нуклеотидов в промоторных участках генов, что приводит к изменению интенсивности их экспрессии.: Именно факторы регуляции транскрипции направляют РНК-полимеразу на точку инициации транскрипции соответствующего гена (или совокупности генов), не участвуя непосредственно в каталитическом акте син - теза мРНК.

У животных организмов определены особенности структуры более 1 тысячи факторов регуляции транс - крипции. Клонирование их генов способствовало получению информации, позволившей осуществить классификацию этих белков.

Все факторы регуляции транскрипции содержат три основных домена. Наиболее консервативным является ДНКсвязывающий домен. Последовательность аминокислот в нем определяет узнавание определенных последовательностей нуклеотидов в промоторах генов.

В зависимости от гомологии первичной и вторичной структур ДНК-связывающего домена факторы регуляции транскрипции подразделяются на четыре суперкласса: 1) с доменами, обогащенными основными аминокислотами; 2) с ДНК-связывающими доменами, координирующими ионы цинка, - "цинковыми пальцами"; 3) с доменами типа спи- раль-поворот-спираль; 4) с доменами типа |3-скэффолд, образующими контакты с малой бороздкой ДНК [Патрушев, 2000]. Каждый суперкласс подразделяется на классы, семейства и подсемейства. В суперклассе 1 обращают на себя внимание факторы регуляции транскрипции с доменами типа "лейциновая застежка-молния", представляющими собой ос-спирали, у которых каждая седьмая аминокислота является лейцином, выступающим с одной стороны спирали. Гидрофобное взаимодействие остатков лейцина одной молекулы с аналогичной спиралью другой молекулы обеспечивает димеризацию (по аналогии с застежкоймолнией) факторов регуляции транскрипции, необходимую для взаимодействия с ДНК.

В суперклассе 2 "цинковые пальцы" представляют собой последовательности аминокислот, содержащие четыре остатка цистеина, которые оказывают координирующее действие на ион цинка. "Цинковые пальцы" взаимодействуют с большой бороздкой ДНК. В другом классе этого суперкласса структура "цинковых пальцев" обеспечивается двумя остатками цистеина и двумя остатками гистидина (рис. 5), еще в одном классе координация двух ионов цинка в одном "пальце" осуществляется шестью остатками цистеина. Вершины "цинковых пальцев" контактируют с большой бороздкой ДНК.

Исследование структуры факторов регуляции транскрипции у растений позволило установить гомологию с белками этого типа, характерными для животных объектов. Типичные факторы регуляции транскрипции содержат следующие три основных структурных элемента: ДНК-связы- вающий, олигомеризационный и регуляторный домены . Мономерные формы транскрипционных факторов неактивны, в отличие от димерных (олигомерных). Образованию олигомерных форм предшествует фосфорилирование мономерных форм в цитозоле, затем происходит их ассоциация и после этого доставка в ядро или с помощью

Рис. 5. Структура "цинкового пальца" фактора регуляции транскрипции

Г - остаток гистидина; Ц-S - остаток цистеина

специальных транспортных белков или благодаря взаимодействию с рецепторными белками в порах ядерной мембраны, после чего они переносятся в ядро и взаимодействуют с промоторными участками

соответствующих генов. "Факторы регуляции транскрипции кодируются мультигенными семействами, и их синтез может индуцироваться патогенами и элиситорами, а активность изменяться в результате посттрансляционной модификации (главным образом, фосфо-рилирования или дефосфорилирования).

В настоящее время создана все более расширяющаяся база данных о структуре различных факторов регуляции транскрипции и их генов у растений . Показано, что специфичность связывания с ДНК определяется аминокислотными последовательностями стержневой и петлевой зон в уже упоминавшихся лейциновых "застежкахмолниях", представляющих собой одну из наиболее многочисленных и консервативных групп эукариотиче-ских факторов регуляции транскрипции . Часто факторы регуляции транскрипции классифицируются именно по структуре ДНК-связывающих доменов, которые могут включать спиральные последовательности аминокислот, "цинковые пальцы" - участки с двумя цистеино-выми и двумя гистидиновыми остатками или со многими ци-стеиновыми остатками и т.д. У растений от одного до четырех "цинковых пальцев" найдены в ДНК-связывающих доменах факторов регуляции транскрипции .

Механизм взаимодействия факторов регуляции транскрипции с ДНК-зависимыми РНК-полимеразами и промоторными участками генов остается одной из ключевых и все еще недостаточно изученных проблем функционирования генома клеток. Особенно скудна информация, касающаяся растительных объектов.

Мутации в генах, кодирующих факторы регуляции транскрипции у животных, могут привести к определенным заболеваниям .

У растений описаны представители семейства генов, кодирующих факторы регуляции транскрипции с лейциновыми "застежками-молниями". Было показано, что транскрипционные факторы этого типа отвечают за салицилатиндуцированное образование защитных антипатогенных белков и что мутации в указанных генах приводят к потере способности синтезировать эти белки

ПРОМОТОРЫ ГЕНОВ БЕЛКОВ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ И ЗАЩИТНЫХ БЕЛКОВ

В настоящее время интенсивно исследуется структура промоторных участков генов, отвечающих за приобретение иммунитета к различным патогенам. Уже давно привлекает внимание факт практически одновременного синтеза целого ряда патогениндуцируемых белков: Это может быть вызвано как дивергенцией сигнальных путей в одной сигнальной системе, что обусловливает активацию нескольких типов факторов регуляции транскрипции, так и "включением" тем или иным элиситором нескольких сигнальных систем, которые, функционируя параллельно, активируют несколько типов факторов регуляции транскрипции и, вследствие этого, вызывают экспрессию нескольких видов защитных белков. Не исключена также возможность того, что промоторы генов нескольких индивидуальных белков имеют одну и ту же структуру регуляторных элементов, что приводит к их одновременной экспрессии даже в случае сигнальной активации одного представителя факторов регуляции транскрипции.1

Последний вариант имеет место при действии на растения стрессового фитогормона этилена, когда фактор регуляции транскрипции взаимодействует с GCC-боксом промоторных участков нескольких этилениндуцируемых генов, что обеспечивает более или менее одновременное образование целой группы этилениндуцируемых белков . Такой принцип пакетного синтеза защитных белков реализуется при ответе клеток на различные стрессоры или элиситоры (к вторичным элиситорам можно отнести и стрессовые фитогормоны). Например, при действии повышенных температур индуцируется транскрипция группы генов, содержащих в промоторных участках общий регуля-

торный элемент HSE (heat shock element), отсутствующий у других генов . Эта закономерность была подтверждена с помощью приема создания гибридных генов с промотором гена теплового шока, состыкованного с другим геном, обычно не изменяющим интенсивности экспрессии при действии повышенных температур. В случае же трансгенных растений начиналась его экспрессия. В эукариотических клетках обнаружены также промоторные участки со сходными последовательностями нуклеотидов у различных генов, индуцируемых одним и тем же интермедиатом (вторичным посредником) сигнальных систем, например циклическим АМФ. В последнем случае сигнальная последовательность нуклеотидов промоторного участка имеет обозначение CRE (cyclic AMP response element).

У арабидопсиса обнаружена глюкокортикоидная система активации факторов регуляции транскрипции, включение которой приводило к экспрессии патогениндуцируемых защитных генов [Н. Kang et al., 1999]. Распространенными последовательностями нуклеотидов в G-боксе про-

моторов были CCACGTGG, а в С-боксе - TGACGTCA .

Вирус табачной мозаики и салициловая кислота вызывали у растений табака индукцию двух генов факторов регуляции транскрипции класса WRKY, узнающих в промоторных участках защитных генов определенную последовательность нуклеотидов - TTGAC (W-box). Активация этих факторов регуляции транскрипции осуществлялась с помощью их фосфорилирования протеинкиназами . Все белки класса WRKY, в отличие от других классов транскрипционных факторов (таких, как bZIP и myb), имеют консервативный домен, содержащий гептамерный пеп-

тид WRKYGQK .

(Один из доменов фактора регуляции транскрипции, отвечающего за преобразование жасмонатного сигнала, активирует регуляторный участок промотора нескольких генов, кодирующих жасмонат- и элиситор-индуцируемые белки, в частности стриктозидин-синтазу . Оказалось, что активирующим действием обладает N-концевой кислый домен фактора регуляции транскрипции, а обогащенный остатками серина С-концевой домен -I ингибирующим.

Показано, что промотор гена фенилаланин-аммиак-лиа- зы (важнейшего стартового фермента разветвленного метаболического процесса синтеза соединений, играющих защитную роль, - салицилата, фенольных кислот, фенилпропаноидных фитоалексинов и лигнина) содержит по две копии обогащенных АС-повторами участков .

При изучении промотора гена другого фермента синтеia фитоалексинов - халконсинтазы, у культуры клеток бобов, табака и риса было обнаружено, что в активации промотора принимают участие G-бокс (CACGTG) в области от -74 до -69 пар нуклеотидов и Н-боксы (ССТАСС) в области от -61 до -56 и от -126 до -121 пар нуклеотидов .

В других опытах было выяснено, что при действи и элиситоров экспрессия гена халконсинтазы у растений гороха зависит от области промотора от -242 до -182 пар нуклеотидов, в которой два участка содержат идентичные AT последовательности -ТААААТАСТ-, причем одна из них, располагающаяся в области от -242 до -226, была необходима для проявления максимальной активности гена .

Промотор гена стриктозидин-синтазы, одного из ключевых элиситориндуцируемых ферментов синтеза терпеноидных фитоалексинов, имеет активируемую факторами регуляции транскрипции область от -339 до -145 пар нуклеотидов . G-бокс, расположенный вблизи -105 пары нуклеотидов, не влиял на активность промотора.

При исследовании активности гена |3-1,3-глюканазы у растений табака было обнаружено, что она зависит от области промотора от -250 до -217 пар нуклеотидов, содержащей последовательность -GGCGGC-, характерную для промоторов генов, кодирующих патогениндуцируемые щелоч-

ные белки .

Так называемый PR-бокс промоторных участков многих патогениндуцируемых белков содержит последовательность (5"-AGCCGCC-3"), с которой связываются соответствующие факторы регуляции транскрипции, что приводит к экспрессии генов этих белков, в частности эндохитиназ и Р-1,3-глюканаз у растений томатов .

Многие гены патогениндуцируемых белков содержат в промоторах так называемые ocs-элементы, с которыми взаимодействуют факторы регуляции транскрипции, имеющие в своей структуре лейциновые застежки -молнии. У растений арабидопсиса факторы регуляции транскрипции, ответственные за преобразование этиленового сигнала, связываются и с GCC-боксом и с ocs-элементами промоторов, что приводит к экспрессии целого ряда защитных белков .

Исследование трансгенных растений табака с промотором щелочной хитиназы и репортерным геном GUS позволило установить, что активируемая этиленовым сигналом область промотора находится между -503 и -358 парами нуклеотидов, где имеются две копии GCC-бокса (5"- TAAGAGCCGCC-3") , который характе-

рен для промоторов многих этилениндуцируемых белков. Дальнейший анализ показал, что ответственный за реакцию на этилен участок промотора с двумя копиями GCC-бо- кса расположен между -480 и -410 парами нуклеотидов.

При исследовании реакции растений табака на обработку этиленом и инфицирование вирусом мозаики было обнаружено, что активность промотора гена (3-1,3-глюканазы зависит от области, расположенной между -1452 и -1193 парами нуклеотидов, где имеются две копии гептануклеотида

5-AGCCGCC-3" . Найдены и допол-

нительные области, существенные для регуляции активности промотора.

Рассмотренные выше элиситоры, рецепторы элиситоров, G-белки, протеинкиназы, протеинфосфатазы, факторы регуляции транскрипции, соответствующие им промоторные участки генов принимают участие в функционировании целого ряда сигнальных систем клеток, от которых зависит их реакция на сигналы различной природы и интенсивности: аденилатциклазной, МАР-киназной, фосфатидатной, кальциевой, липоксигеназной, НАДФН-оксидазной, NOсинтазной и протонной.

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА

Эта сигнальная система получила свое название по впервые охарактеризованному Сазерлендом ферменту аденилатциклазе, катализирующей образование основного сигнального интермедиата этой системы - циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Схема аденилатциклазной системы такова: внешний химический сигнал, например гормон или элиситор, взаимодействует с белкомрецептором плазмалеммы, что приводит к активации G- белка (связывания им ГТФ) и передаче сигнального импульса на фермент аденилатциклазу (АЦ), который катализирует синтез цАМФ из АТФ (рис. 6).

В аденилатциклазной системе различают Gs-белки, стимулирующие аденилатциклазу, и (5,-белки, тормозящие активность фермента. Различия между этими двумя видами белков определяются в основном особенностями ос-субъ- единиц, а не (3- и у-субъединиц. Молекулярные массы ocs - субъединиц G-белка равны 41-46 кДа, аг субъединиц - 40-41 кДа, (3,- и Р2 -субъединиц - 36-35 кДа, у-субъединиц -8- 10 кДа. Связывание G-белками ГТФ и его гидролиз до ГДФ и неорганического ортофосфата обеспечивают обратимость процессов активации аденилатциклазы .

Аденилатциклаза является мономерным интегральным белком плазматической мембраны и поэтому с трудом поддается экстракции и переходу в растворимую форму. Молекулярная масса аденилатциклазы клеток животных равна 120-155 кДа; имеются также растворимые формы аденилатциклазы 50-70 кДа, не чувствительные к кальмодулину и G-белкам . У растений молекулярная масса аденилатциклазы составляет 84 кДа. Кривая зависимости активности аденилатциклазы от рН имела одновершинный характер, причем пик активности для этого фер-

мента находился в области рН 4,8-5,2 .

Получены данные об изоформе аденилатциклазы с оптиму-

мом рН, равным 8,8 .

Аденилатциклаза может модифицироваться с внешней стороны мембраны гликозилированием, а с внутренней - фосфорилированием А-киназой [Северин, 1991]. Активность мембранной аденилатциклазы зависит от фосфолипидного окружения - соотношения фосфатидилхолина, фо- сфатидил-этаноламина, сфингомиелина, фосфатидилс"ери-

на и фосфатидилинозитола.

Элиситориндуцируемое повышение содержания цАМФ в клетках имеет преходящий характер, что объясняется активацией ФДЭ и, возможно, связыванием цАМФ-зависимы- ми протеинкиназами. Действительно, повышение концентрации цАМФ в клетках активирует различные цАМФ-зави- симые протеинкиназы, которые могут фосфорилировать различные белки, в том числе факторы регуляции транс - крипции, что приводит к экспрессии различных генов и ответу клетки на внешнее воздействие.

Коэффициент умножения сигнала, достигаемый при его передаче в геном и экспрессии генов, составляет многие тысячи. Схема умножения сигнала при функционировании аденилатциклазной сигнальной системы часто используется в учебниках биохимии . Эта сигнальная система продолжает интенсивно исследоваться на различных объектах, пополняя представления об информационном поле клеток и его связи с внешними информационными потоками.

Необходимо заметить, что вопрос о функционировании аденилатциклазной сигнальной системы в растительных объектах на протяжении почти четверти век а продолжал оставаться дискуссионным, разделяя исследователей на ее

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ

Рис. 6. Схема функционирования аденилатциклазной сигнальной

системы АЦ* - активная форма аденилатциклазы; ПКА и ПКА*- неактив-

ная и активная формы протеинкиназы А; ПЛплазмалемма; ФДЭ - фосфодиэстераза; ФРТ* - активная форма фактора регуляции транскрипции

сторонников [Доман, Феденко, 1976; Королев, Выскребенцева, 1978; Franco, 1983; Яворская, Калинин, 1984; Newton, Brown, 1986; Каримова, 1994, Assman, 1995; Trewavas, Malho, 1997; Trewavas, 1999; и др.] и противников . Первые опирались на данные о повышении активности аденилатциклазы и содержания цАМФ под действием фитогормонов и патогенов, об имитации экзогенным цАМФ действия различных фитогормонов, вторые - на факты, свидетельствовавшие о незначительном содержании цАМФ в растениях, об отсутствии в целом ряде опытов влияния фитогормонов на активность аденилатциклазы и т.д.

Успехи в области молекулярной генетики, сопоставление структуры генов белков-участников аденилатциклазной сигнальной системы у животных и растений склонили чашу весов в пользу сторонников ее функционирования у растений . Результа-

ты использования экзогенного цАМФ [Килев, Чекуров, 1977] или форсколина (активатора аденилатциклазы) свидетельствовали об участии цАМФ в сигналиндуцированнои цепи передачи сигнала. Применение теофиллина - ингибитора фосфодиэстеразы цАМФ, которая в растениях оказалась достаточно активной, показало, что приходная часть баланса цАМФ осуществляется достаточно интенсивно [Яворская, 1990; Каримова и др., 1990]. Были получены данные об изменении содержания цАМФ в растениях под влиянием патогенов , его необходимости для формирования ответа на действие патогенов [Зарубина и др., 1979; Очеретина и др., 1990].

Обращает на себя внимание факт АТФ-зависимого выделения во внеклеточную среду значительной части цАМФ, образованного в клетках животных , прокариот , водорослей и высших рас-

тений . По-

казательно, что у растений, так же как у животных, можно было снизить накопление цАМФ в клетках и выход его во внеклеточную среду с помощью простагландина , не обнаруживаемого в растениях. Возмож-

но, что эту роль выполняет аналогичный простагландину оксилипин - жасмонат. Предполагается возможность участия в выносе цАМФ из клетки специальных АТФ-связыва-

ющих белков .

Целесообразность секреции цАМФ из клеток растений в среду объясняют, в первую очередь, необходимостью достаточно быстрого снижения концентрации этого вторичного посредника для того, чтобы не происходило перевозбуждения клеток . Относительно быстрое снижение концентраций вторичных посредников после достижения максимального уровня является непременнной неспецифической чертой функционирования всех сигнальных систем.

Вероятно, выводимый за пределы плазмалеммы цАМФ принимает участие в регуляции внеклеточных процессов [Шиян, Лазарева, 1988]. Это мнение может основываться на обнаружении экто-цАМФ-зависимых протеинкиназ , использующих секрецию цАМФ из клеток для активирования фосфорилирования белков за пределами плазмалеммы. Полагают также, что цАМФ вне клетки может выполнять роль первого посредника [Федоров и др., 1990], индуцируя запуск каскада реакций сигнальных систем в соседних клетках, что было показано на примере многоклеточных слизевых грибов .

Привлекают внимание данные, полученные на животных объектах, об ингибировании экзогенным аденозином (который может рассматриваться в качестве продукта деградации цАМФ) кальциевых каналов клеток [Меерсон, 1986] и активировании - калиевых каналов [Орлов, Максимова, 1999].

Большой интерес вызывает информация о возможности регуляции секретируемым цАМФ развития патогенных грибов , в частности ржавчины ячменя , Magnaporthe grisea, поражающего растения риса , пыльной головни Ustilago maydis , Erysiphe graminis , Colletotrichum trifolii , пигментирования Ustilago hordei . В зависимости от концентрации цАМФ происходила стимуляция или подавление развития грибов. Полагают, что у них в трансдукции цАМФ-сигнала принимают участие гетеротримерные G-белки .

Накапливается все больше данных о влиянии различных сигнальных молекул на секрецию цАМФ растительными клетками. Было показано, что роль АБК в адаптации растений к стрессу может заключаться в ее способности регулировать содержание и выход цАМФ из клеток. Предполагается, что уменьшение содержания цАМФ при действии АБК вызвана АБК-индуцированным повышением содержания Са2+ в цитозоле и ингибированием аденилатциклазы. Известно, что Са2+ в высокой концентрации ингибирует активность аденилатциклазы у эукариот . В то же время Са2+ может уменьшить содержание цАМФ, индуцируя повышение активности фосфодиэстеразы, гидролизующей цАМФ. Действительно, активация фосфодиэстеразы цАМФ комплексом Са2+ -кальмодулин была обнаружена у растительных объектов [Феденко, 1983].

Показана зависимость профиля фосфорилированности полипептидов от экзогенного цАМФ. Число полипептидов, фосфорилирование которых стимулировалось цАМФ, было наибольшим при микромолярной концентрации цАМФ. Привлекает внимание факт сильного цАМФ-индуцирован- ного повышения фосфорилированности полипептида 10 кДа при низкой температуре (рис. 7) [Каримова, Жуков, 1991; Ягушева, 2000]. Интересно, что полипептид с такой молекулярной массой является белковым регулятором фосфодиэстеразы цАМФ, который активируется абсцизовой кислотой и Са2+ и снижает содержание цАМФ за счет его гидролиза фосфодиэстеразой.

Изучение особенностей активации цАМФ-зависимых протеинкиназ и фосфорилирования ими различных бел - ков - одно из важнейших направлений исследований аденилатциклазной сигнальной системы. цАМФ-зависимые протеинкиназы (ПКА) - это ферменты, активирующиеся при взаимодействии с цАМФ и катализирующие перенос концевого остатка фосфорной кислоты с АТФ на гидро - ксильные группы сериновых или треониновых остатков белков-акцепторов. Ковалентная модификация белков, осуществляемая при фосфорилировании, приводит к изменению их конформации и каталитической активности, вызывая ассоциацию или диссоциацию их субъединиц и т.д.

Молекулярная масса белков, кДа

Рис. 7. Влияние цАМФ на фосфорилирование белков трехдневных проростков гороха [Каримова, Жуков, 1991]

1 - контроль: срезанные побеги переносили на 2 ч черешками в воду, затем еще на 2 ч - в раствор меченного по 32 Р ортофосфата; 2 - срезанные растения переносили на 2 ч в раствор 1 мкМ цАМФ, затем еще на 2 ч - в раствор меченного по 32 Р ортофосфата

Субстратами в протеинкиназной реакции являются MgАТФ и фосфорилируемый белок. Белковые субстраты могут быть одновременно субстратами для цГМФ- и цАМФзависимых протеинкиназ по одним и тем же остаткам серина (треонина), но скорость цАМФ-зависимого фосфорилирования в 10-15 раз больше, чем у цГМФ-зависимых протеинкиназ . Субстраты цАМФ-зависимых протеинкиназ располагаются во всех частях клетки: цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР), аппарате Гольджи, секреторных гранулах, цитоскелете и ядре.

Из клеток растений были выделены протеинкиназы, активируемые экзогенным цАМФ, например, из колеоптилей кукурузы - протеинкиназа 36 кДа . Като и соавт. выделили из ряски Lemna paucicostata три типа протеинкиназ: 165, 85 и 145 кДа, одна из которых ингибировалась цАМФ, другая активировалась цАМФ и третья была цАМФ-независимой.

Второй тип протеинкиназ фосфорилировал полипептиды

59, 19, 16 и 14 кДа.

Экзогенный цАМФ вызывал изменения (в основном, ингибирование) фосфорилирования ряда полипептидов хлоропластов, опосредованного участием протеинкиназ

Один из первых генов протеинкиназы, клонированных в растениях, был похож на семейство протеинкиназ А животных по последовательностям нуклеотидов . Имеются примеры сходства аминокислотных последовательностей протеинкиназ А из растений (их гомологию) с протеинкиназами А животных. Несколько групп исследователей сообщили о клонировании генов, гомологичных гену протеинкиназы А (обзорные работы: ). Протеинкиназа из петунии фосфорилировала специфичный синтетический субстрат протеинкиназы А . Сообщалось о том, что добавление цАМФ к экстрактам растений стимулирует фосфорилирование специфичных белков . Исследование мест фосфорилирования в фенилаланин-аммиак-лиазе (ФАЛ) - ключевом ферменте биосинтеза фитоалексинов, обнаружило сайты, специфичные для протеинкиназы A .

Использование высокоспецифичного белкового ингибитора (БИ) цАМФ-зависимых протеинкиназ позволило подтвердить предположение , что цАМФ-зависимые протеинкиназы могут быть активированы эндогенным цАМФ еще в процессе приготовления образца: БИ подавлял базальную протеинкиназную активность экстрактов из листьев в разных опытах на 30-50% [Каримова, 1994]. Интермедиаты липоксигеназной сигнальной системы ГДК и МеЖК активировали в присутствии цАМФ протеинкиназную активность на 33- ^8% [Каримова и др., 19996]. Салициловая кислота индуцировала повышение уровня цАМФ-зависимой фосфорилированности полипептидов 74, 61 и 22 кДа в листьях гороха [Мухаметчина, 2000]. цАМФ-стимулируемая протеинкиназная активность растворимых белков листьев гороха зависела от концентрации Са2+ [Каримова и др., 1989; Тарчевская, 1990; Каримова, Жуков, 1991], причем ферментативная активность обнаруживалась также в изолированных клеточных стенках, ядрах, плазматических мембранах.

В растениях найдены гены, кодирующие фермент протеинфосфатазу, мишенью которой являются белки, фосфорилированные с помощью протеинкиназы А.

Для характеристики аденилатциклазной сигнальной системы чрезвычайно важен факт обнаружения в растениях генов, кодирующих белковые факторы регуляции транскрипции, которые имеют протяженные последовательности нуклеотидов, гомологичные CREBS - цАМФ-связываю- щему фактору транскрипции у животных .

Многочисленные данные о влиянии цАМФ на ионные каналы клеток растений и относительно слабая экспериментальная база представлений о возможности передачи сигналов от цАМФ через фосфорилирование белковых факторов регуляции транскрипции в геном, с одной стороны, укрепляют позиции сторонников существования непрямого (через активацию ионных каналов) сигнального аденилатциклазного пути и, с другой, заставляют усилить попытки получения доказательств функционирования прямого цАМФ-сигнального пути.

МАР-КИНАЗНАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА

Митогенактивируемые серин-треонинового типа протеинкиназы (МАРК) и МАР-киназный сигнальный каскад (сигнал -> рецептор -> G-белки -> МАРККК -»

-> МАРКК -> МАРК -> ФРТ -> геном), достаточно полно изученные в животных объектах, функционируют и в клетках растений (рис. 8). Им посвящены обзорные статьи

И работы экспериментального характера, в которых сообщаются сведения об индивидуальных представителях этой сигнальной системы и особен-

ностях их регуляции.

МАР-киназный каскад "включается" при митозе (чем и объясняется название этих протеинкиназ), при обезвожива-

нии , гипоосмо-

тическом стрессе , низкой температуре , механическом раздражении растений

Повреждении тканей , окислительном стрессе , действии патогенов , элиситоров (в

том числе харпинов , криптогеина , олигосахаридов ), стрессовых фитогормонов жасмоната , сали-

цилата , системина , этилена ).

Зависимость функционирования МАР-киназного каскада от различных воздействий нашла отражение в названиях некоторых МАР-киназ, например WIPK и SIPK (соответст-

венно wound-induced protein kinases и salicylate-induced protein

Рис. 8. Схема функционирования МАР-киназной сигнальной системы

ККМАРК - киназа киназы МАР-киназы; КМАРК - киназа МАРкиназы; МАРК - митогенактивируемая протеинкиназа. Остальные обозначения - см. рис. 6

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2000, том 26, № 10, с. 779-781

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ -

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК И ГЕНОМ © 2000 г. А. И. Гречкин#, И. А. Тарчевский

Казанский институт биохимии и биофизики РАН, Казань; Институт биохимии имени А.Н. Баха РАН, Москва

Прогнозы о будущем молекулярной и клеточной биологии до 2000 года, сделанные Ф. Криком в 1970 году, были достаточно смелыми. Задача изучения генома представлялась гигантской и долговременной, однако концентрация огромных научных и финансовых ресурсов привела к быстрому решению многих проблем, стоявших 30 лет назад перед молекулярной биологией и молекулярной генетикой. В то время было еще сложнее предвидеть прогресс в области клеточной биологии. За прошедшие годы в значительной степени стерлась грань между клеточным и молекулярным уровнями исследований. В 1970 году, например, не существовало представления о клеточных сигнальных системах, которое достаточно четко оформилось лишь к середине 80-х годов. В настоящей статье будет сделана попытка осветить существующее состояние и перспективы развития исследований сигнальных систем клеюк - одного из важнейших направлений современной биологии, объединяющих биохимию, биоорганическую химию, молекулярную биологию, молекулярную генетику, физиологию растений и микроорганизмов, физиологию человека и животных, медицину, фармакологию, биотехнологию.

Исследования последних лет показали, что между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь. С одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой - сигнальные системы управляют геномом, экспрессируя одни и супресси-руя другие гены. Сигнальные молекулы, как правило, отличаются быстрым метаболическим оборотом и малым временем жизни. Исследования, связанные с сигнальными системами, интенсивно развиваются, но молекулярные механизмы сигнальных связей остаются во многом не выясненными. В этом направлении многое предстоит сделать в следующие два-три десятилетия.

Общие принципы работы сигнальных систем в значительной степени универсальны. Универсальность ДНК, "главной" молекулы жизни, определяет сходство механизмов ее обслуживания в клетках микроорганизмов, растений и животных. В последние годы все больше утверждается универсальность механизма передачи экстраклеточ-

ных сигналов в генетический аппарат клетки. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промо-торные участки генов, репрограммирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клеток, например, у растений - повышение устойчивости к неблагоприятным экологическим факторам или иммунитета к патогенам. Универсальным участником сигнальных систем является блок протеин-киназы-фосфопротеинфосфатазы, определяющий активность многих ферментов, а также белкового фактора регуляции транскрипции (взаимодействующего с промоторными участками генов), от которого зависит изменение интенсивности и характера репрограммирования экспрессии генов, что, в свою очередь, определяет функциональный ответ клетки на сигнал.

В настоящее время выявлено, как минимум, семь видов сигнальных систем: циклоаденилат-

ная, МАР*-киназная, фосфатидатная, кальциевая, оксилипиновая, супероксидсинтазная и N0-синтазная . В первых шести системах (рисунок, сигнальный путь 1) белковые рецепторы сигналов, имеющие универсальный тип структуры, "пмонтированы" в клеточную мембрану и воспринимают сигнал вариабельным экстраклеточным К-доменом. При этом происходит изменение конформации белка, в том числе его цитоплазма-тического С-участка, что приводит к активации ассоциированного с ним в-белка и передаче импульса возбуждения на первый фермент и последующие интермедиа™ сигнальной цепи.

Не исключено, что некоторые первичные сигналы действуют на рецепторы, локализованные в цитоплазме и связанные сигнальными путями с геномом (рисунок, сигнальный путь 2). Интересно, что в случае.МО-сигнальной системы этот путь включает локализованный в клеточной мембране фермент Ж)-синтазу (рисунок, сигнальный путь 4-3). Некоторые физические или химические сигналы могут взаимодействовать непосредственно с липидной составляющей клеточной мембраны, вызывая ее модификацию, что приводит к изменению конформации рецепторного белка и вклю-

*МАР - mitogen activated protein, активируемый митогеном белок.

ГРЕЧКИН, ТАРЧЕВСКИЙ

Схема разнообразия сигнальных путей клеток. Обозначения: 1,5,6- рецепторы, локализованные в клеточной мембране; 2,4- рецепторы, локализованные в цитоплазме; 3 - ИО-синтаза, локализованная в клеточной мембране; 5 - рецептор, активируемый изменением конформации липидной фазы мембраны; ФРТ - факторы регуляции транскрипции; СИБ - сигналиндуцированные белки.

чению сигнальной системы (рисунок, сигнальный путь 5).

Известно, что восприятие сигнала рецепторами клеточной мембраны приводит к быстрому изменению проницаемости ее ионных каналов. Более того, считается, например, что сигналинду-цируемое изменение концентрации протонов и других ионов в цитоплазме может играть роль ин-термедиатов в сигнальной системе, индуцируя в итоге синтез сигналзависимых белков (рисунок, сигнальный путь 6).

О результатах функционирования сигнальных систем у растений можно судить по патоген(эли-ситор)-индуцируемым белкам, которые подразделяются на несколько групп по тем функциям, которые они выполняют. Одни являются участниками сигнальных систем растений, и их интенсивное образование обеспечивает расширение сигнальных каналов, другие ограничивают питание патогенов, третьи катализируют синтез низкомолекулярных антибиотиков - фитоалексинов, четвертые - реакции укрепления клеточных стенок растений. Функционирование всех этих патоген-индуцированных белков может существенно ограничивать распространение инфекции по растению. Пятая группа белков вызывает деградацию клеточных стенок грибов и бактерий, шестая дезорганизует функционирование их клеточной мембраны, изменяя ее проницаемость для ионов, седьмая подавляет работу белоксинтезирующей машины, блокируя синтез белков на рибосомах грибов и бактерий или действуя на вирусную РНК.

эволюционно более молоды, так как при их функционировании используется молекулярный кислород. Последнее привело к тому, что к важнейшей функции передачи информации об экстраклеточном сигнале в геном клетки добавилась еще одна, связанная с появлением активных форм липидов (в случае оксилипиновой системы), кислорода (во всех трех случаях) и азота (в случае ЫО-сигнальной системы). Сопутствующие этим трем системам реакции с участием молекулярного кислорода отличаются очень высокой скоростью, что характеризует их как "системы быстрого реагирования". Многие продукты этих систем цитотоксичны и могут подавлять развитие патогенов или убивать их, приводить к некрозу инфицированных и соседних клеток, затрудняя тем самым проникновение патогенов в ткань.

К числу наиболее важных сигнальных систем относится оксилипиновая сигнальная система, широко распространенная у всех эукариотических организмов . Недавно введенный термин "оксилипины" обозначает продукты окислительного метаболизма полиеновых жирных кислот независимо от их структурных особенностей и длины цепи (С18, С20 и другие). Оксилипины выполняют не только функцию сигнальных медиаторов при передаче преобразованной информации к геному клетки, но и ряд других функций. Ко времени выхода статьи Ф. Крика были известны ферменты липоксигеназы и сравнительно небольшое количество оксилипинов, например некоторые простагландины. За прошедшие тридцать лет не только был выяснен циклооксигеназный путь биосинтеза простагландинов, но и обнаруже-

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК И ГЕНОМ

ны многие новые биорегуляторы-оксилипины. Оказалось, что простаноиды и другие эйкозанои-ды (продукты метаболизма С20-жирных кислот) поддерживают гомеостаз у млекопитающих на клеточном и организменном уровнях, контролируют многие жизненно важные функции, в частности, сокращение гладкой мускулатуры, свертывание крови, деятельность сердечно-сосудистой, пищеварительной и дыхательной систем, воспалительные процессы, аллергические реакции. Первая из перечисленных функций, контроль сокращений гладкой мускулатуры, совпадает с одним из предсказаний Ф. Крика, прогнозировавшего расшифровку механизмов функционирования мышц.

Одним из перспективных направлений является исследование оксилипиновой сигнальной системы и ее роли у растений и немлекопитающих. Интерес к этой области связан во многом с тем, что метаболизм оксилипинов у млекопитающих и растений имеет больше различий, чем сходства. За последние тридцать лет были достигнуты заметные успехи в изучении оксилипинового сигнального метаболизма у растений . Некоторые из обнаруженных оксилипинов контролируют рост и развитие растений, участвуют в формировании местной и системной устойчивости к патогенам и в адаптации к действию неблагоприятных факторов.

Особый интерес представляют факты управления сигнальными системами экспрессией генов, кодирующих белковые интермедиа™ самих сигнальных систем. Это управление включает автокаталитические циклы или, в случае экспрессии генов фосфопротеинфосфатаз, приводит к подавлению той или иной сигнальной системы. Было обнаружено, что может происходить сигна-линдуцируемое образование как начальных белковых участников сигнальных цепей - рецепторов, так и конечных - факторов регуляции транскрипции. Имеются данные и об элиситориндуцируемой активации синтеза белковых промежуточных ин-термедиатов сигнальных систем, вызванной, например, экспрессией генов МАР-киназы, кальмо-дулина, различных липоксигеназ, циклооксигена-зы, ]ЧО-синтазы, протеинкиназ и т.д.

Геном и сигнальная сеть клетки образуют сложную самоорганизующуюся систему, своеобразный биокомпьютер. В этом компьютере жестким носителем информации является геном, а сигнальная сеть играет роль молекулярного процессора, выполняющ