Когда вы видите коричневые пятна на здоровых зеленых листьях, вы можете быть свидетелем иммунного ответа растения, пытающегося предотвратить распространение бактериальной инфекции. Некоторые растения более устойчивы к таким инфекциям, чем другие, и биологи растений хотят понять, почему. Ученые Института Солка, изучающие растительный белок под названием SOBER1, недавно обнаружили один механизм, с помощью которого, вопреки интуиции, растения, похоже, становятся менее устойчивыми к инфекциям.
Работа, опубликованная в Nature Communications 19 декабря 2017 года, проливает свет на устойчивость растений в целом и может привести к стратегиям повышения естественного иммунитета растений или лучшего сдерживания инфекций, которые угрожают уничтожить весь сельскохозяйственный урожай.
«Существует много потерь урожая из-за бактерий, которые убивают растения», - говорит старший автор статьи Джоан Чори, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, директор Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Солка и 2018 г. лауреат Премии за прорыв в области наук о жизни. «С помощью этой работы мы решили понять основной механизм работы сопротивления и увидеть, насколько он универсален».
Одним из способов борьбы растений с бактериальной инфекцией является уничтожение их собственных клеток, в которых обнаружены бактериальные белки. Но некоторые бактерии выработали контрстратегию - введение специальных белков, которые подавляют иммунный ответ растения, добавляя к иммунным молекулам небольшие отключающие химические метки, называемые ацетильными группами. Этот процесс называется ацетилированием. Остается неясным, что делает одни растения способными противостоять этим бактериальным контрмерам, а другие погибают от инфекции.
Чтобы лучше понять такие взаимодействия патогенов и растений, команда Чори обратилась к хорошо изученному сорняку Arabidopsis thaliana и, в частности, к ферменту под названием SOBER1, который, как ранее сообщалось, подавлял иммунный ответ сорняка на бактериальный белок, известный как AvrBsT. Хотя использование подавления иммунитета для изучения устойчивости к инфекциям может показаться нелогичным, биологи Солка полагали, что это может дать полезную информацию.
Исследователи начали с определения аминокислотной последовательности SOBER1 - определенного порядка строительных блоков, который придает белку его основную идентичность. Интересно, что они обнаружили, что он очень похож на человеческий фермент, связанный с раком. Этот фермент содержит характерный туннель, в который могут входить и разрезаться белки с определенными типами модификаций в ходе ферментативной реакции. Оказывается, SOBER1 можно классифицировать как часть обширного суперсемейства белков, известного как альфа/бета-гидролазы. Эти ферменты имеют общую структуру ядра, но очень гибки в катализируемых ими химических реакциях, которые варьируются от расщепления жира до детоксикации химических веществ, называемых пероксидами.
Затем они использовали метод рентгеновской кристаллографии, которому более 100 лет, для определения трехмерной структуры SOBER1. Похожий на человеческий фермент, туннель растительного фермента имел две дополнительные аминокислоты, торчащие сверху вниз: одну у входа и одну посередине.
«Когда мы увидели их, мы поняли, что они должны иметь драматическое влияние на функцию, потому что они в основном блокируют туннель», - говорит научный сотрудник Солка и соавтор Марко Бюргер.
Чтобы выяснить, какова может быть цель, Бюргер и соавтор Бьорн Виллиге, также научный сотрудник, использовали субстраты (молекулы, на которые действуют ферменты) разной длины и биохимически проверили, насколько хорошо они подходят для фермента и можно ли их обрезать. Подходят и вырезаются только определенные типы - очень короткие ацетильные группы. Это позволило предположить, что SOBER1 является деацетилазой - классом ферментов, удаляющих ацетильные группы. Кроме того, команда мутировала SOBER1 и, таким образом, открыла заблокированный туннель. С этим изменением Бюргер и Виллиге разработали фермент, который потерял свою высокую специфичность к коротким ацетильным группам и вместо этого предпочел более длинные субстраты.
«Для первых экспериментов по биохимии мы использовали проверенные искусственные субстраты», - говорит Виллидж. «Но затем мы хотели посмотреть, что произойдет с растениями».
Для этого они использовали растения табака, у которых большие листья, с которыми легко работать, и бактерию, производящую AvrBsT, которая, как известно, запускает ацетилирование. Они продуцировали AvrBsT в различных участках листьев табака вместе с SOBER1 и несколькими мутантными (и, следовательно, нефункциональными) версиями фермента.
Листья, производящие AvrBsT, имели коричневые участки мертвой ткани, что указывает на то, что AvrBsT инициировал программу гибели клеток, чтобы ограничить системное распространение патогена. Листья, производившие AvrBsT вместе с SOBER1, выглядели здоровыми, что указывает на то, что SOBER1 обращал действие AvrBsT. Поразительно, но мутировавшие версии SOBER1 с открытым туннелем не смогли предотвратить отмирание ткани. Исходя из этого, исследователи пришли к выводу, что деацетилирование должно быть основной химической реакцией, ведущей к подавлению иммунного ответа растения.
Испытания табака подтвердили идею о том, что SOBER1 является деацетилазой, удаляющей ацетильные группы, добавленные бактериальными белками. Без ацетильных групп, помечающих белки, растение не распознавало их как чужеродные и, следовательно, не вызывало иммунного ответа, убивающего клетки. Листья выглядели более здоровыми, потому что клетки не умирали.
«Функция SOBER1 удивительна, потому что она поддерживает жизнь инфицированной ткани, что подвергает растение риску», - говорит Чори, который также является заведующим кафедрой биологии растений Говарда Х. и Мариам Р. Ньюман в Солк. «Но мы только начинаем понимать эти типы механизмов, и вполне могут быть условия, при которых действия SOBER1 будут полезны».
Дальнейшие тесты показали, что активность и функция SOBER1 не ограничивается сорняком Arabidopsis thaliana, но также присутствует в растении под названием масличный рапс, демонстрируя, что результаты лаборатории Чори могут быть применены к сельскохозяйственным культурам и ресурсам биотоплива.
Бюргер и Виллиге затем хотели бы начать скрининг химических ингибиторов, которые могли бы блокировать SOBER1, тем самым позволяя растениям иметь полный иммунный ответ на патогенные бактерии.