Растения постоянно идут на компромиссы в своих решениях: больше света означает больше возможностей для фотосинтеза, но жаркие температуры и сухой воздух повышают вероятность увядания. Устьица - микроскопические клапаны на поверхности эпидермиса листа - находятся в авангарде этих компромиссов: устьица открываются, чтобы получить свежий воздух (и содержащийся в нем углекислый газ) для фотосинтеза, но потеря воды через устьичные поры вызывает обезвоживание растений., и в конечном итоге увядать.
Правильное количество и расположение устьиц на листьях имеет решающее значение для продуктивности растений. Используя модель растения Arabidopsis thaliana, группа ученых, включая Кейко Тории (Медицинский институт Говарда Хьюза/Вашингтонский университет и Институт трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагои), идентифицировала ключевые гены, которые формируют устьица и обеспечивают правильное формирование устьиц.
Когда лист начинает формировать эпидермальные клетки, еще не решено, станет ли начальная клетка устьичной или неустьичной эпидермальной клеткой. Дифференцировка устьиц начинается, когда основные регуляторные белки, SPEECHLESS и SCREAM, регулируют экспрессию генов. С другой стороны, SPEECHLESS ингибируется клеточными сигналами с участием MAP-киназ MPK3 и MPK6, которые передают сигналы окружающей среды в клетку. В зависимости от того, побеждают ли мастер-регуляторные белки или МАР-киназы, исходная клетка становится устьичной или неустьичной эпидермальной клеткой. Тем не менее, точный механизм того, как MPK3 и 6 ингибируют SPEECHLESS, до недавнего времени оставался неясным..
В статье, опубликованной в Nature Plants, Dr. Аарти Путарджунан, профессор Кейко Тории и их коллеги обнаружили, что белок SCREAM обладает парой якорных мотивов, которые напрямую связывают MAP-киназы (MPK3 и MPK6) с SPEECHLESS. Единственная аминокислотная мутация в этом SCREAM-якорном мотиве вызывает неспособность рекрутировать ингибирующие MAP-киназы, что приводит к поразительному эпидермису листа, покрытому исключительно огромным количеством устьиц.
Чтобы понять, как SCREAM закрепляет киназы MAP, Путарджунан и Тори начали сотрудничество с профессором Нин Чжэн, структурным биологом, который кристаллизует белки, и профессором Флоренс Тама, химиком-теоретиком, который моделирует и моделирует белок-белковые взаимодействия.. Вместе с этими двумя экспертами по структуре белка группа раскрыла структуру растительной MAP-киназы MPK6 и раскрыла на атомном уровне механизм того, как SCREAM вызывает ингибирующие MAP-киназы.
Интересно, что MAP-киназы играют решающую роль в пролиферации и дифференцировке клеток человека; более того, дисфункция MAP-киназ напрямую связана с раком. Хотя структура растительной МАР-киназы MPK6, которая была решена в этом исследовании, почти идентична структуре человеческих МАР-киназ, способ связывания растительной МАР-киназы с SCREAM отличается от того, как человеческие МАР-киназы связываются со своими «клиентскими» белками.. Это означает, что у растений мог развиться уникальный мотив, контролирующий решение клеточной судьбы посредством рекрутирования высококонсервативного сигнального белка, киназ MAP.
Атомное понимание, обнаруженное в этом исследовании, может быть использовано для разработки оптимального развития устьиц, которое позволяет растениям справляться с изменяющимся климатом, а также может предоставить инструмент для настройки клеточных процессов, опосредованных MAP-киназами у животных (например, у людей). для фундаментальных биомедицинских исследований.