У растений нет глаз и ушей, но они все еще могут видеть, слышать, обонять и реагировать на внешние сигналы и опасности, особенно на вирулентные патогены. Они делают это с помощью сотен мембранных белков, которые могут чувствовать микробы или другие стрессы.
Только небольшая часть этих сенсорных белков была изучена с помощью классической генетики, и знания о том, как эти сенсоры функционируют, образуя комплексы друг с другом, недостаточны. Теперь международная группа исследователей из четырех стран, включая Шахида Мухтара, доктора философии, и аспиранта Тимоти «TC» Хоутона из Алабамского университета в Бирмингеме, создала первую карту сети для 200 таких белков. На карте показано, как несколько ключевых белков действуют как главные узлы, критически важные для целостности сети, и карта также показывает неизвестные взаимодействия.
«Это новаторская работа по выявлению первого слоя взаимодействий между этими белками», - сказал Мухтар, доцент биологии Колледжа искусств и наук UAB. «Понимание этих взаимодействий может привести к способам повышения устойчивости растений к патогенам или другим стрессам, таким как жара, засуха, соленость или холодный шок. Это также может стать дорожной картой для будущих исследований ученых всего мира».
Международную команду, базирующуюся в Европе, Канаде и США, возглавлял Юссеф Бельхадир, доктор философии, Институт молекулярной биологии растений имени Грегора Менделя, Вена, Австрия. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Новая всеобъемлющая карта сети взаимодействия сосредоточена на одном из наиболее важных классов этих чувствительных белков - киназах рецепторов повторов, богатых лейцином, или киназах LRR-рецепторов, которые структурно подобны человеческим toll-подобным рецепторам.
Киназы LRR-рецепторов представляют собой семейство белков как в растениях, так и в животных, которые в значительной степени отвечают за восприятие окружающей среды. У растений они имеют внеклеточный домен белка, выходящий за пределы клеточной мембраны, который может распознавать химические сигналы, такие как гормоны роста или части белков патогенов. Киназы рецепторов затем инициируют ответы на эти сигналы внутри клетки, используя внутриклеточный домен белка.
Модельное растение Arabidopsis thaliana содержит более 600 различных рецепторных киназ - в 50 раз больше, чем у человека, - которые имеют решающее значение для роста, развития, иммунитета и реакции растений на стресс. До сих пор лишь немногие из них имели известные функции, и мало что было известно о том, как рецепторы могут взаимодействовать друг с другом, чтобы координировать ответы на часто противоречивые сигналы.
Для исследования Nature лаборатория Belkhadir тестировала взаимодействия между внеклеточными доменами рецепторов попарно, работая с более чем 400 внеклеточными доменами киназ LRR-рецепторов и выполняя 40 000 тестов взаимодействия.
Положительные взаимодействия использовались для создания карты взаимодействия, показывающей, как эти рецепторные киназы взаимодействуют друг с другом, в общей сложности 567 взаимодействий с высокой достоверностью.
Лаборатории Дэвида Гутмана, доктора философии, и Даррелла Дево, доктора философии, в Университете Торонто, Канада, проанализировали карту взаимодействия рецепторов с использованием алгоритмов для создания различных гипотез, и эти прогнозы были подтверждены в лаборатории Белхадира и Сирила Зипфеля, доктора философии, Лаборатория Сейнсбери, Норидж, Великобритания.
В UAB Мухтар и Хоутон протестировали 372 внутриклеточных домена киназ LRR-рецепторов, внеклеточные домены которых продемонстрировали высокодостоверные взаимодействия, чтобы увидеть, демонстрируют ли внутриклеточные домены сильные взаимодействия. Более половины сделали это, предполагая, что образование этих рецепторных комплексов необходимо для восприятия сигнала и последующей передачи сигнала. Это также указывает на подтверждение биологического значения взаимодействий внеклеточных доменов.
Лаборатория Мухтара в UAB клонировала почти все внутриклеточные домены киназ LRR-рецепторов арабидопсиса. «Это часть попытки понять, как растения реагируют на патогены или как патогены захватывают иммунную систему, и это область нашего интереса», - сказал Мухтар.
Исследование Nature преподнесло два больших сюрприза, говорит Адам Мотт, доктор философии, Университет Торонто. Киназы LRR-рецепторов, имеющие небольшие внеклеточные домены, взаимодействуют с другими киназами LRR-рецепторов чаще, чем те, которые имеют большие домены. Это говорит о том, что киназы малых рецепторов эволюционировали, чтобы координировать действия других рецепторов. Во-вторых, исследователи идентифицировали несколько неизвестных киназ LRR-рецепторов, которые кажутся критически важными для целостности сети.
Самый важный из них, получивший название APEX, должен был вызвать серьезные сбои в остальной части сети, если его удалить. Исследователи обнаружили, что удаление APEX и нескольких других известных киназ LRR-рецепторов действительно нарушило развитие растений и иммунные реакции, даже несмотря на то, что эти реакции контролируются рецепторными киназами, расположенными в нескольких сетевых шагах от узла APEX.
Это новое понимание того, как взаимодействуют рецепторные киназы, может помочь исследователям определить важные рецепторные киназы, которые могут модифицировать стрессовые реакции коммерческих культур, чтобы сделать их устойчивыми к стрессам окружающей среды, таким как глобальное потепление и патогены.
«Сеть, разработанная в этом исследовании, позволяет будущим исследователям понять ранее неизвестную связь этих рецепторов», - сказал Хоутон. «Эти знания можно использовать для лучшего понимания того, как растения воспринимают окружающую среду в полном контексте рецепторов на поверхности клеток растений."