Как в растительных, так и в животных клетках моторные белки действуют как двигатели в загруженной системе поездов. Они перемещают материал в клетке из одного места в другое. И точно так же, как пригородные поезда путешествуют по предсказуемому маршруту в определенном направлении, объем их транспорта соизмерим с потребностями. В час пик курсирует больше поездов. В полночь нет смысла пускать поезда каждые 10 минут.
В растущей растительной клетке моторные белки, называемые кинезинами, работают как переносчики, которые доставляют материалы, построенные в одной части клетки, туда, где они необходимы. Кинезины путешествуют по полимерным дорожкам, известным как микротрубочки, чтобы добраться туда, куда они направляются. Перемещение груза требует энергии и ресурсов клетки, и этот процесс тщательно контролируется, чтобы предотвратить потери.
Теперь биологи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе открыли молекулярный тормозной механизм, который держит кинезины под контролем до тех пор, пока не понадобится их груз.
Импортин IMB4 является регулятором, который контролирует кинезин, непосредственно участвующий в построении клеточной стенки растений. По словам Рэма Диксита, доцента биологии факультета искусств и наук, он физически связывается с кинезином. IMB4 удерживает кинезин в неактивном состоянии, защищая его от деградации во время ожидания, и предотвращает перемещение кинезина по микротрубочкам до тех пор, пока не понадобится его груз. Новое исследование опубликовано в журнале Developmental Cell.
"Клеточная стенка похожа на экзоскелет растения, и ее построение является одной из важнейших функций растущего растения. Мы идентифицировали ключевой молекулярный регулятор, который точно контролирует отложение клеточной стенки, физически связываясь с кинезином, - сказал Диксит. они нужны."
Готовые грузчики
Жесткая клеточная стенка является важным и энергетически затратным вложением для растения. Клеточная стенка обеспечивает прочность и позволяет клетке выдерживать тургорное давление, необходимое для роста.
У растений Arabidopsis отложение клеточной стенки зависит от кинезина-4, называемого Fragile Fiber 1 или FRA1. FRA1 был идентифицирован более десяти лет назад, но исследование, проведенное в лаборатории Диксита в 2015 году, подтвердило, что его подвижность и численность коррелируют со скоростью роста клеток.
Постдокторант Аниндья Гангули, ведущий автор статьи, был заинтригован тем, что увидела исследовательская группа. В быстро растущих клетках стеблей проростков они обнаружили большое количество кинезинов FRA1, перемещающихся по микротрубочкам. Но дальше по стволу, где клетки перестали удлиняться, моторные белки исчезли.
«Подобно часам пик, когда растения быстро растут, вам нужно доставлять много материала клеточных стенок, чтобы не отставать от роста», - сказал Гангули. «Эффективный транспорт больших объемов зависит от наличия большого количества моторных белков. Обнаруженный нами регулятор удерживает избыток этих транспортных белков во время быстрого роста».
Ganguly и соавторы обнаружили, что импортин IMB4 напрямую связывается с моторным доменом кинезина FRA1. Затем, используя комбинацию анализа мутаций, микроскопии FRA1 в живых клетках и биохимии белка, команда показала, что это взаимодействие подавляет движение FRA1.
«Этот импортин, по сути, блокирует двигатель, двигатель кинезина», - сказал Диксит. «Вы подавляете подвижность, запрещая ей ассоциироваться со своим следом».
«Участок, где, как мы думаем, он связывается, основываясь на проведенном здесь анализе, включает аминокислоты, которые очень консервативны в других семействах кинезинов как у растений, так и у животных», - сказал Диксит.«Поэтому мы думаем, что есть хороший шанс, что этот механизм может быть широко применим».
Извращенная сестра
С ручкой IMB4 исследователи теперь лучше понимают механические работы механизмов отложения клеточных стенок. Другое исследование, опубликованное лабораторией Dixit в этом месяце, идентифицирует регулятор, участвующий в построении каркаса, по которому движутся кинезины.
В этом исследовании исследователи изучили мутантное растение арабидопсиса, которое демонстрирует искривленный характер роста. Его листья и стебли снова закручиваются; его корни запутаны и перекошены.
Эти так называемые спиральные мутанты страдают от смещенных микротрубочек («следов», по которым кинесины шли в другом исследовании). Считалось, что у мутанта разрезающие белки разрезают и укорачивают микротрубочки в точках, где они пересекаются друг с другом.
Но когда Диксит и его коллеги Юаньвэй Фан и Грэм Беркарт решили проанализировать внутриклеточную активность спирального мутанта, они обнаружили более интересный и тонкий механизм. Важно отметить, что они обнаружили, что специфичный для растений белок SPR2 регулирует динамику минус-конца микротрубочек у мутанта.
Микротрубочки имеют быстрорастущий и более динамичный конец, определяемый как «плюсовый» конец, и медленно растущий, менее динамичный «минусовый» конец. Микротрубочки растут и сжимаются с положительной стороны, в то время как отрицательная сторона обычно считалась статической у растений - до сих пор..
Примечательно, что у мутанта спирали2 минус-концы чрезвычайно динамичны и укорачиваются гораздо быстрее, чем у растений дикого типа.
«Мы не только обнаружили, что этот белок локализуется на минус-конце в растениях и регулирует динамику минус-конца, но мы смогли воспроизвести это поведение in vitro», - сказал Диксит. «Можно сказать, что этого белка и только этого белка достаточно, чтобы локализовать минус-концы, отследить минус-концы и стабилизировать их».
Интересно, что растительный белок SPR2 имеет некоторые общие характеристики с белками млекопитающих, которые стабилизируют минус-концы микротрубочек в тканях, выстилающих поверхности органов, и в нейронах.
Эта отдельная работа по микротрубочкам финансируется Национальным институтом здравоохранения и публикуется в Интернете перед выпуском журнала Current Biology от 19 марта.
Отслеживание форм и функций клеток
В совокупности это новое исследование регуляторов двигательных белков и микротрубочек помогает объяснить внутреннюю работу растительных клеток, которая определяет их форму и позволяет им изменять свой рост в ответ на сигналы развития и окружающей среды.
Работа над IMB4 и кинезином FRA1 является частью усилий Dixit с Центром инженерной механобиологии (CEMB), научно-техническим центром, финансируемым Национальным научным фондом, совместно возглавляемым Вашингтонским университетом и Университетом Пенсильвании. В рамках CEMB Диксит возглавляет исследовательскую группу, занимающуюся определением того, как клетки адаптируются к механической среде и изменяют ее.
«На самом деле центр сосредоточен на том, чтобы раскрыть, понять и, в конечном счете, иметь возможность контролировать роль механических сил в биологических системах», - сказал Диксит.
«Уникальность центра заключается в том, что он объединяет как растительную, так и животную системы. Раньше такого не было», - сказал Диксит. «Идея состоит в том, что мы сможем раскрыть некоторые универсальные принципы, применимые к обоим королевствам».