Направление пыльцевой трубки к семязачатку является важным этапом оплодотворения у цветковых растений. Для этого пептид-аттрактант пыльцевых трубок LURE направляет пыльцевую трубку точно к семязачатку. Международной группе биологов растений из Университета Нагоя и Университета Цинхуа впервые удалось проанализировать кристаллическую структуру LURE, связанного с его рецепторным белком PRK6. Дальнейшее выяснение этого механизма ключа и замка может привести к применению в создании полезных видов гибридных растений.
Оплодотворение у цветковых растений происходит путем доставки сперматозоидов в яйцеклетку за счет точного роста пыльцевых трубок из пыльцы. Направление пыльцевых трубок играет решающую роль в контроле роста пыльцевых трубок, а аттрактантный пептид пыльцевых трубок LURE секретируется синергидными клетками рядом с яйцеклеткой внутри семязачатка, что приводит к успешному оплодотворению. LURE специфичен для каждого вида растений и поэтому отвечает за оплодотворение между одними и теми же видами.
LURE1 уже был идентифицирован у модельного растения Arabidopsis thaliana, и были сообщения о наличии рецепторов на пыльцевой трубке, ответственных за обнаружение LURE1. Модель «ключ и замок» иллюстрирует взаимосвязь между пептидом LURE (лигандом) и его рецептором. К какому замку (рецептору) привязывается ключ (LURE) и как он это делает, до сих пор оставалось загадкой.
Чтобы идентифицировать точный рецептор на пыльцевой трубке для LURE, Тецуя Хигасияма, профессор Университета Нагоя, и его сотрудники в Университете Цинхуа, которые имеют опыт в структурной биологии растительных лигандов и рецепторов, провели анализ комплексов. методом рентгеновской кристаллографии. Команда исследовала белок, который связывается с LURE, путем создания LURE из Arabidopsis thaliana и его белкового рецептора с помощью культур клеток насекомых. В результате они смогли определить, что LURE специфически связывается с белковым рецептором, называемым PRK6 (киназа 6, подобная рецептору пыльцы), на пыльцевой трубке. Результаты этого исследования опубликованы в Nature Communications..
Исследовательской группе удалось получить и проанализировать кристаллическую структуру LURE, связанного с рецептором PRK6. В результате их анализа они обнаружили, что LURE связывается путем вставки между богатой лейцином областью повторов и трансмембранной областью рецептора PRK6..
LURE связан с областью вблизи мембраны PRK6. Эта область называется областью петли, и команда определила, что электростатическое взаимодействие между положительным зарядом LURE и отрицательным зарядом области петли PRK6 имеет важное значение для связывания. Кроме того, им также удалось показать, что дисульфидный мостик образуется в области петли PRK6 при связывании LURE. Этот мостик между цистеиновыми остатками способствует стабилизации области петли, играющей важную роль в связывании с LURE.
Предыдущие отчеты показали, что связывание между пептидами и рецепторами в растениях в основном происходит в области повторов, богатых лейцином. Во-вторых, когда молекула лиганда связывается с рецептором во внешней области клетки, обычно образуется комплекс для передачи сигналов внутри клетки. С другой стороны, связывание между LURE и PRK6 происходило в положении, отличном от того, о чем до сих пор сообщалось у растений, и при связывании не образовывалось никаких комплексов. Эта уникальная схема связывания между LURE и PRK6, по-видимому, отражает точный механизм контроля направления роста пыльцевых трубок.
При более внимательном рассмотрении связи между LURE и петлевой областью PRK6 они смогли идентифицировать соответствующие аминокислоты, необходимые для связывания. Команда проверила степень связывания и направления пыльцевых трубок, переключая аминокислоты, и обнаружила, что важны как аргинин (R83), расположенный в LURE, так и аспарагиновая кислота (D234) в PRK6.
Наша лаборатория интенсивно работала над идентификацией пептида-аттрактанта пыльцевых трубок LURE и его рецепторного белка PRK6, и на этот раз мы смогли определить кристаллическую структуру комплекса, связанного с LURE, чтобы доказать, что PRK6 является фактическим рецептором. LURE», - говорит Хигасияма. «Благодаря взаимодействию с рецептором PRK6 мы обнаружили, что LURE способен изменять направление роста пыльцевых трубок по направлению к семязачатку, но мы до сих пор не уверены, как LURE может контролировать направление роста с такой высокой точностью», - объясняет Хигасияма..
Мы продемонстрировали, что PRK6 имеет тенденцию концентрироваться в направлении LURE, поэтому может случиться так, что при связывании LURE в области петли PRK6, PRK6 изменит свое поведение на кончике пыльцевой трубки. Проводя наблюдения в реальном времени изучения молекулярной активности LURE и PRK6 на поверхности пыльцевых трубок мы надеемся понять точный механизм направления пыльцевых трубок».
Пептид LURE и рецептор PRK6 действуют как ключ и замок, специфичный для каждого вида растений. Хигасияма и его группа предполагают, что эта работа поможет выяснить, почему наведение пыльцевых трубок успешно у одних и тех же видов и затруднено у разных видов.
«Мы надеемся, что сможем разработать специальные системы «ключ и замок», чтобы наведение пыльцевых трубок стало эффективным между разными видами растений и могло привести к успешной гибридизации между разными видами», - говорит Хигасияма. «Такие растения, как хлебная пшеница, семена рапса и хлопок, являются важными видами, возникшими в результате скрещивания. Мы считаем, что наше исследование будет иметь большое значение для создания специально разработанных скрещиваемых видов растений».