В зависимости от температуры растение может синтезировать гормон ауксин. В зависимости от присутствующих патогенов растение может синтезировать ауксин. В зависимости от доступных питательных веществ, воды, стрессоров или сигналов развития: ауксин.
Когда растение наклоняется к свету по мере роста, основной химический элемент, который регулирует это движение?
Ауксин.
В зависимости от ситуации присутствие этого гормона может быть сигналом, который запускает транскрипцию ДНК, способствуя росту и развитию, или может препятствовать транскрипции.
Междисциплинарная группа, состоящая из представителей факультета искусств и наук и Инженерной школы МакКелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе, недавно обнаружила механизм, с помощью которого на растение можно воздействовать множеством способов в зависимости от присутствия тот же гормон.
Исследование было опубликовано 14 августа в журнале Molecular Cell.
«У вас может быть любая подсказка», - сказала ведущий исследователь Люсия Стрейдер, доцент кафедры биологии в области искусств и наук и заместитель директора Центра науки и инженерии живых систем. «Свет, температура, различные питательные вещества… растение вырабатывает ауксин в ответ на все это». То, что происходит в результате этого высвобождения ауксина, также может варьироваться: от реакции на стресс до развития листьев и изменений в архитектуре корневой системы.
Все эти ответы являются результатом действия факторов ответа на ауксин (ARF), белков, которые связываются с ДНК в ядре клетки, тем или иным образом облегчая рост и развитие.
Вопрос, который исследовала лаборатория Стрейдера: как ARF могут делать правильные вещи, в нужном месте, в нужное время и в то же время предотвращать неуместные ответы?
Ответ начался с обновленного понимания фундаментальной природы ARF.
Они всегда присутствуют в растении, но ARF часто бессильны, потому что они связаны белками-репрессорами Aux/IAA, которые удерживают ARF в неактивном состоянии до тех пор, пока ауксин химически не разъединяет их. Новое понимание структуры ARF привело к новому пониманию того, как они соединяются.
Изменение сосредоточено в домене PB1, на противоположном конце белка ARF от ДНК-связывающего домена (где ARF, оказавшись в ядре клетки, будет связываться с ДНК в процессе транскрипции).
В отличие от того, чтобы быть связанными с белками-репрессорами или ARF в парах, «домены ARF PB1 подобны миниатюрным стержневым магнитам с плюсовой и минусовой сторонами, свободными на двух концах для соединения с другими белками», - сказал Стрейдер..«Есть вероятность, что они вырастут в длинные цепочки».
Выбросы в цитоплазме
Оказывается, формирование цепи домена ARF PB1 играет неожиданную роль.
Во время исследования ARF Саманте Пауэрс, аспирантке лаборатории, было поручено пометить один из 23 ARF арабидопсиса в рамках своего исследования. Образ, с которым она вернулась, был необычным. Вместо того, чтобы находить ARF в ядрах растительных клеток, они обнаруживались в цитоплазме, гелеобразном веществе, окружающем ядро. «Что странно, - сказал Стрейдер.
Просматривая литературу об исследованиях, показывающих местонахождение ARF в растительных клетках, команда нашла одно из них. Только один. И это выглядело совсем иначе, чем то, что Пауэрс увидела в своем исследовании: ARF были в основном там, где они «должны» быть, в ядрах клеток, с парой выбросов в цитоплазме..
Междисциплинарная группа, состоящая из представителей факультета искусств и наук и Инженерной школы МакКелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе, недавно обнаружила механизм, с помощью которого на растение можно воздействовать множеством способов в зависимости от присутствия тот же гормон.
Пауэрс, как выяснилось, изучал ARF в зрелом корне растения, в то время как исследование, которое они обнаружили, рассматривало меристематический кончик корня, область, где делятся молодые клетки.
«Прелесть растений как модели развития заключается в том, что у одного человека в один момент времени присутствуют все стадии развития», - сказал Стрейдер. Самые молодые клетки находятся в начале корневой системы, и, поскольку растительные клетки не двигаются, они просто делятся вверх, опираясь друг на друга; клетки тем старше, чем дальше они от кончика.
Находка Пауэрса, таким образом, была подсказкой: в молодых клетках ARF были в ядре, транскрибируя мРНК, но в старых клетках они застряли в цитоплазме, ничего особенного не делая. А в промежуточных регионах был микс.
Страдер обсудил эти выводы на семинаре по биофизике, после чего Алекс Холехаус, в то время аспирант, работавший в лаборатории Рохита Паппу, профессора инженерии Эдвина Х. Мурти в Инженерной школе Маккелви, обратился к ней с конкретное предложение.
"Он сказал: "Пока вы выступали, я загрузил последовательности всех 23 ARF и проанализировал их. У меня есть для вас данные", - сказал Стрейдер.
Хоулхауз в настоящее время является постдокторантом в лаборатории Паппу, и в начале 2020 года он планирует открыть свою собственную лабораторию на кафедре биохимии и молекулярной биофизики. Он предположил, что ARF, которые Пауэрс и Стрейдер наблюдали в цитоплазме, были на самом деле белковые конденсаты частично управляются «внутренне неупорядоченными областями» белков ARF, областями, которые лежат между ДНК-связыванием и доменами PB1.
Holehouse постулировал, что белки ARF переходят из диспергированного состояния в конденсированное для накопления в цитоплазме; подобно тому, как молекулы воды конденсируются, образуя капли.
«Общепринятое мнение гласит, что белки должны принимать определенные трехмерные формы, чтобы распознавать свои молекулярные мишени; IDR отличаются тем, что они меняют форму», - сказал Паппу.«Они могут принимать различную форму в зависимости от их контекста, и эти особенности делают их идеальными драйверами конденсата, если у них есть необходимые липкие области.
"Алекс проанализировал последовательности и нашел очень четкое композиционное различие", сказал Паппу.
IDR (внутренне неупорядоченные области) конкретных ARF обладали всеми характеристиками молекул, которые легко прилипают друг к другу. В сочетании со способностью ARF соединяться и образовывать повторяющиеся структуры - или олигомеризоваться - через домен PB1, ARF в более старых клетках конденсировались в сборки, которые гарантируют, что они останутся застрявшими в цитоплазме.
А когда ARF застревают в цитоплазме, они не могут инициировать транскрипцию ДНК. «Это так просто», - сказал Паппу.
«Мы думаем, что это способ удержать этот путь от активности в клетках определенного типа, не выключая его полностью», - сказал Стрейдер.
Растения как модельные системы
Руководствуясь детективной работой Холехауса, Пауэрс продолжил мутировать некоторые ARF, чтобы все они попали в ядро. Они обнаружили, что до тех пор, пока ARF могут проникать в ядро для связывания ДНК, при наличии ауксина транскрипция будет происходить независимо от типа клетки.
«Это действительно интересно, потому что мы показали, что образование конденсатов в цитоплазме - это способ ослабления ауксинов», - сказал Стрейдер. «Каждая клетка реагирует на ауксин, когда есть вариант ARF, который является конститутивно ядерным, тогда как невосприимчивые клетки изолируют ARF в своей цитоплазме». Конститутивно-ядерный вариант может активировать гены во всех типах клеток.
«Инженеры обычно пытаются разработать биоматериалы, которые могут образовывать депо внутри клеток, чтобы контролировать высвобождение материала, который связывается в депо», - сказал Паппу. «Что впечатляет, так это уровень контроля, обеспечиваемый локализацией белков ARF за счет создания цитоплазматических депо, конденсатов, с помощью липких IDR в старых клетках. Аппарат создания депо, состоящий из молекул с липкими IDR, может отличить более старые клетки от более молодых. Биоинженеры мечтают воспроизвести этот тип молекулярного контроля для создания активной материи».
Продолжающееся сотрудничество между лабораториями Strader и Pappu направлено на адаптацию растений в качестве модельных систем для изучения молекулярных и клеточных процессов, связанных с нейродегенерацией.
Это потому, что это исследование показывает сильную, положительную биологическую роль конденсации белка, которая, как указал Стрейдер, является тем же процессом, который часто ассоциируется с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера, БАС и другие расстройства, связанные с прионами.
Для растений это исследование показывает, как конденсация является механизмом, который может помешать им транскрибировать гены, удерживая факторы транскрипции вне ядра в определенных контекстах, гарантируя, что ауксин действует правильно, в нужное время, в нужном месте. место.