Ученые из Вашингтонского университета в Сент-Луисе выделили фермент, который одновременно контролирует уровни двух растительных гормонов, связывая молекулярные пути роста и защиты.
Подобно животным, растения выработали небольшие молекулы, называемые гормонами, для управления ключевыми процессами, такими как рост, размножение и реакция на инфекции. Ученым давно известно, что разные растительные гормоны могут взаимодействовать сложным образом, но то, как они это делают, оставалось загадкой.
В статье, опубликованной в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 14 ноября, исследовательская группа Джозефа Джеза, профессора биологии в области искусств и наук и профессора Медицинского института Говарда Хьюза, сообщает, что фермент GH3.5 может контролировать уровень двух растительных гормонов, ауксина и салициловой кислоты. Известно, что это первый в своем роде фермент, контролирующий совершенно разные классы гормонов.
Ауксин контролирует ряд реакций в растении, включая рост клеток и тканей и нормальное развитие. Салициловая кислота, с другой стороны, помогает растениям реагировать на инфекции, которые часто отнимают ресурсы у роста. Растения должны жестко контролировать уровень ауксина и салициловой кислоты, чтобы правильно расти и реагировать на новые угрозы.
«Растения контролируют уровень гормонов, комбинируя их производство, разрушение, модификацию и транспортировку», - сказал Кори Уэстфолл, бывший аспирант, который руководил работой в этой лаборатории Джеза вместе с нынешним аспирантом Эшли Шерп.
Пришивая аминокислоту к гормону, GH3.5 выводит гормоны из циркуляции, уменьшая их влияние на растение.
Хотя ученые подозревали, что GH3.5 контролирует ауксин и салициловую кислоту, это двойное действие не было продемонстрировано на растениях.
"Наш вопрос был очень простым," сказал Шерп. «Может ли этот фермент на самом деле контролировать несколько гормонов? И если это правда в пробирке, что происходит в растении?»
Чтобы выяснить это, исследователи заставили растения накапливать большое количество белка, а затем измерили их уровни гормонов. Когда GH3.5 экспрессировался на высоких уровнях, количество как ауксина, так и салициловой кислоты снижалось. Лишенные стимулирующего рост ауксина, растения оставались маленькими и чахлыми.
Эксперимент доказал, что GH3.5 регулирует определенные классы гормонов, но как он это делает?
Ищем ответы с помощью рентгена
Чтобы лучше понять, как фермент может контролировать как ауксин, так и салициловую кислоту, ученые кристаллизовали GH3.5 и отправили кристаллы в Европейский центр синхротронного излучения в Гренобле, Франция.
Ускоритель частиц помог исследователям направить мощные рентгеновские лучи на кристалл белка, а дифракция рентгеновских лучей предоставила информацию о структуре фермента атом за атомом. Westfall собрал эти данные в трехмерную реконструкцию GH3.5, показав, что он заморожен в процессе модификации ауксина.
Ученые ожидали найти ключевые различия между GH3.5 и родственными белками, которые объяснят его уникальную способность модифицировать несколько гормонов.
К их удивлению, часть фермента, которая связывает и модифицирует гормоны, выглядела почти идентично родственным ферментам, которые могут модифицировать только ауксин. Удивительное сходство между многоцелевым GH3.5 и его одноразовыми родственниками предполагает, что неизвестные элементы этих белков влияют на то, какие молекулы они могут связывать и трансформировать.
«Эти удивительные результаты означают, что происходит что-то, чего мы не видим в последовательности или структуре этих ферментов», - сказал Джез.
Разгадка этой загадки может рассказать нам больше о том, как ферменты различают сходные молекулы, и эта дискриминационная способность имеет решающее значение для всего живого, включая людей и растения.