Особенность растений: Прикрепленный образ жизни Морфогенез регулируется факторами внешней среды внешние факторы внутренние факторы (фитогормоны) экспрессия генов развитие
Гормоны растений – эндогенные регуляторы программ развития • • Критерии гормонов: Вещество вызывает специфический физиологический ответ у определенных клеток. Разобщено место синтеза и место действия, т. е. необходим транспорт сигнального вещества по растению (для растений - не строгий критерий) Вещество практически не играет роли в основном метаболизме клетки, используется только для сигнальных целей. Вещество должно действовать в низкой концентрации (начиная с 10 -5 моль/л). Особенности фитогормонов: Низкомолекулярные Регулируют целые программы развития В принципе могут синтезироваться любой клеткой растения Взаимное действие – «Переговоры гормонов» .
=изопреноиды мономер изопентенил -(С 5 Н 8)- стригалактоны г. о. из ж. к. мембран пластид автономные гормоны (жизненно важные) =Ауксины(ИУК)+ЦК+гибб; ответ на внешние факторы=брасс. +жасм. к-та+этилен (биотич. +абиотич. (механика))+АБК (абиот. стресс (t°-засуха)).
Р А С Т Е Н И Я Ж И В О Т Н Ы Е
Пути синтеза изопреноидов в растениях: классический (мевалонатный) в цитозоле и альтернативный в пластидах Сескви (С 10 *1. 5=С 15 )- и тритерпеноиды (С 10 *3=С 30 ) синтезируются по классическому пути, ди (С 20)- и тетратерпеноиды(С 40) - по альтернативному Семитерпены C 5 H 8 Монотерпены (терпены) C 10 H 16, Сесквитерпены (полуторатерпены) C 15 H 24, Дитерпены C 20 H 32, (C 10 H 16)2 Тритерпены, C 30 H 48, (C 10 H 16)3 Тетратерпены C 40 H 64, (C 10 H 16)4 Политерпены (C 5 H 8)n, где n > 8 Мевалоновая кислота Метилэритритол фосфат стригалактоны (С 15)
изменение вектора силы тяжести, вектора освещения Ауксины ( «гормоны направлений» ) источники минерального питания Цитокинины ( «гормоны деления клеток» ) свет, температура Гиббереллины (стимуляторы вегетативного и генеративного развития ) изменение вектора роста органов формирование новых побегов прорастание, рост, цветение механические повреждения Этилен ( «гормон стресса» ) защитные реакции, старение, покой семян дефицит воды, снижение концентрации гиббереллинов, цитокининов и ауксинов АБК ( «гормон покоя» ) защитные реакции, ингибирование вегетативного развития
phytohormone structure and functional interactions
Распространенные типы рецепторов растений (быстрый ответ ~10 мин-рецепторы связаны с мембраной) 1. Рецепторные 2. Рецепторы, 3. Рецепторы, протеинкиназы ассоциированные с гетеротримерными и мономерными G-белками взаимодействующие с системой убиквитинирования (рецепторы брассиностероидов, коротких пептидов) (рецепторы этилена, цитокининов) (рецепторы цитокининов. АБК, гиббереллинов) (глобальный (медленный) ответ ~30 минрецепторы ядерной и цитозольной локализации, не связаны с мембраной) (рецепторы ауксинов, гиббереллинов, жасмоната) Ub Ub bg a Ser серин-треониовые РК ия вац акти ентов м фер P В геноме Arabidopsis обнаружено 60 MAPKKK 10 MAPKK 23 MAPK. Получается своеобразная «сигнальная воронка» … E 2 RBX Cullin P Thr МАР-киназы – серин-треониновые киназы SKP ГДФ киназный домен гистидин-аспарагиновые протеинкиназы (РК) Ub F-box Thr Мишени: МАР-киназный каскад, Фосфопереносящие белки, малые ГТФазы Мишени: Фосфолипазы, Са 2+ каналы, МАР-киназный каскад Репрессоры транскрипции
Механизм работы рецепторов, ассоциированных с G-белками 1. рецептор ГТФ ГДФ 2. βγ βγ α ГДФ Эффектор (фосфолипаза) 4. α ГТФ 3. βγ Pi α ГДФ βγ α ГТФ Примеры: 1. Рецептор ауксинов АВР 1 – Ga активирует фосфолипазу А 2 2. Рецептор АБК GCR 2 – Ga активирует фосфолипазу D
Фосфолипазы – эффекторы гетеротримерных G-белков Работа каждой из фосфолипаз может приводить к образованию вторичных мессенджеров Лизофософолипид
Фосфолипазы – эффекторы гетеротримерных G-белков Работа каждой из фосфолипаз может приводить к образованию вторичных мессенджеров (см. оранжевые квадраты), действующих на различные мишени (см. красные надписи) Са 2+ каналы, фосфатидилинозитол-дифосфат Са 2+ зависимые киназы диацилглицерол инозитол-трифосфат транскрипционные факторы, киназы, фосфатазы фосфатидная кислота инозитол-дифосфат Са 2+ каналы, МАР-киназный каскад фосфатидилинозитол-трифосфат фосфоинозитол-киназа лизофосфолипид актиновые филаменты, протеинкиназы
Фосфолипаза С обеспечивает работу фосфоинозитольной (кальциевой) сигнальной системы Кальмодулин
Рецепторы, работающие на основе убиквитин-лигазы (мишень) Убиквитированные белки направляются в протеасому для развала до аминокислот (трансфактор)
Рецепторы трех гормонов работают по одному принципу Рецепторы (ядерной локализации), работающие на основе ауксины жасмонаты убиквитин-лигазы (SCF), убиквитинирующей белки репрессоры (розового цвета) (A) Гены ответа на ауксин ингибируются Aux/IAA белками (репрессорамиы), которые образуют гетеродимеры с ARF – (фактором транскрипции). В присутствии ауксина : TIR 1 (F-бокс-содержащий белок убиквитин-лигазы) связывается с ауксином (т. о. –это рецептор !!!), и в таком виде способен присоединять Aux/IAA белки к SCFTIR 1 комплексу для убиквитинирования. Деградация Aux/IAA белков в 26 S протеасоме дерепрессирует ARF факторы транскрипции. (B) JAZ белки (репрессоры) ингибируют гены ответа на гиббереллины жасмонат, подавляя MYC 2 –(фактор транскрипции). После связывания жасмоната с рецептором COI 1 (белок убиквитин-лигазы SCFCOI 1 )происходит убиквитинирование JAZ белка и его протеолиз, тем самым снимается репрессия с MYC 2. (C) 1). DELLA белки (репрессоры) подавляют факторы транскрипции PIF 5, PIF 4 (PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR) GA-индуцибельных генов. После связывания с GA с рецептором-GID 1 (!!!), конструкция взаимодействует с DELLA белком. GID 1 -GA-DELLA комплекс узнается Fбокс-содержащим белком GID 2 убиквитин-лигазы SCFGID 2, которая направляет DELLA-белки на убиквитинирование и соответствующую деградацию. 2). DELLA белки также являются активаторами нескольких генов, реперссируемых GA (некоторые из которых кодируют ферменты синтез гиббереллинов и компоненты сигнальных путей ответа на GA, включая GID 1 - рецепторы).
сигнальные системы цитокинина и этилена (рецепторы-гистидин-аспарагиновые протеинкиназы) С. Связывание цитокинина с рецептором вызывает его автофосфорилирование, сопровождаемое переносом фосфата (P) на гистидин фосфат-переносящего белока AHP (Arab. Hist. Phos. -transf. prot. -фосфотрансмиттер), и далее на регулятор ответа ARR (Arab. Respon. Regulator- трансфактор), плазмалемма что приводит к транскрипции цитокинин-зависимых генов. А. При низких концентрациях этилена, этиленовые рецепторы активны и стимулируют негативный регулятор ЭПР CTR 1(репрессор этиленового сигнала), который вызывает деградацию EIN 3(трансфактор). В. Связывание этилена инактивирует рецепторы, они перестают стимулировать CTR 1 (Constant Three. . Response)зависимое ингибирование трансмембранного белка EIN 2 (является ингибитором деградации EIN 3). Это предотвращает деградацию EIN 3, который запускает транскрипцию этилен-зависимых генов. (Возможно взаимодействие между этиленоым и цитокининовым сигналом через перекрестное фосфорилирование ). ядро этилен запускает ингибирование распада трансфакторов, (т. е. сохраняет трансфакторы), без этилена трансфакторы образуются, но всё время распадаются. цитокинин активирует трансфакторы. EIN 3 (аспартат)
сигнальная система этилена -новое Cu ER ER ER N m. G CTR 1 N Cu N m. G GDP EIN 2 ETHYLENE C 2 H 4 AIR GTP EIN 2 N CTR 1 MAP 2 K MAP 3 K MAPK CTR 1 MAP 3 K CTR 1 ER MAP 2 K MAPK Bisson and Groth, 2010, Mol. Plant m. G –малые ГТФазы ER – эндоплазм. ретик. Мошков Иг. Евг. 2013
AIR ER C 2 H 4 Cu Cu ETR 1/2 ERS 1/2 EIN 4 Ethylene receptors MAP 3 K MAP 2 K (? ) сигнальная система этилена новое CTR 1 MAPK (? ) MAPKKK? MAPKK? ERK 1 Nramp Metal Transporter ER EIN 2 EIN 3/EIL TF EIN 3 ERF TF ERF 1 ? ERF 1 ETHYLENE RESPONSES Мошков Иг. Евг. 2013
Сигнальная система брассиностероидов (рецепторы - серин-треониовые протеинкиназы) A. При отсутствии брассиностероидов (BL), BIN 2 протеин- киназа (brassinosteroid insensitiv 2) быстро фосфорилирует в ядре брассиностероид-зависимые регуляторы транскрипции BES 1 (bri 1 -EMS-supressor 1) и BZR 1(brassinazol -resistant 1), что приводит к их убиквитинированию и деградации в 26 S-протеасоме. B. Связывание BL c мембранным рецептором – гомо-олигомером BRI 1 приводит к его множественному автофосфорилированию, затем формируется гетеро-олигомер BRI 1 -BAK 1 (BRI 1 -assosiated receptor Kinase 1), который ингибирует BIN 2 (пока еще не установленным способом). Это ведет к накоплению дефосфориллированных BES 1 и BZR 1 в ядре, где они регулируют транскрипцию BR-регулируемых генов, - активируя либо запрещая транскрипцию.
Рецепция и передача сигнала АБК ядро FCA ? ? ? хлоропласты CHLH АБК плазмалемма GPCR (GCR 2, GTG 1/2) ? ? ? цитозоль RCAR ! репрессия цветения FLC PP 2 C ? ? ? PLDa Sn. RK 2 ABI 3 созревание зародыша, период покоя ABI 5 защита от высыхания Четыре независимых рецептора запускают независимые пути передачи сигнала для реализации разных программ развития !
Ядерные рецепторы АБК FCA (Flowering time Control protein A) – РНК-связывающий ядерный белок, который запускает цветение, снимая действие FLC (Flowering Locus C) мощного ингибитора цветения. FCA афинно и специфично связывется с АБК. Без АБК, FCA образует совместно с фактором полиаденилирования РНК FY (Flowering Locus Y) комплекс процессинга РНК, который предотвращает образование m. РНК ингибитора FLC. Растение цветет. При наличии АБК она связывается c Сконцевым участком FCA, рядом с местом взаимодействия с FY. Это разрушает их взаимодействие, что ведет к накоплению FLC и задержке цветения. Транскрипция SOC 1 происходит только в растениях с низкими уровнями FLC
Хлоропластный рецептор АБК -CHLH Каталитический домен N АБК-связывающий домен CHLH gun (genome uncoupled) CHLH+CHLD+CHLI Mg-протопорфиринхелатаза C abar 1 (ABAresistant 1) Протопорфирин (PP) IX – предшественник хлорофилла Mg-PPIX – регулятор пластидноядерных коммуникаций в присутствии АБК не идёт в ядро, нарушается коммуникации
GPCR (G-Protein Coupled Receptors) – плазмалемные рецепторы АБК Киназа фосфатидных кислот и липидфосфатаза собственная ГДФ/ГТФсвязывающая и ГТФазная активности рецепторы 2 -х типов фосфолипаза D cам рецептор связывает GTP Липидные сигнальные молекулы фосфатидная кислота трансфактор ТФ с В 3 доменом: ABI 3 (а также LEC 2, FUS 3) гистондеацетилаза Гены запасных белков HDAC Репрессор транскрипции: ТФ с В 3 доменом
Сигнальная система АБК, связанная с закрытием устьиц 1. АБК связывается с ее рецепторами на плазмалемме. 2. Связывание АБК вызывает формирование активных форм кислорода (ROS), которые активизируют Ca 2+ каналы на плазмалемме. (Фосфатидная кислота (PA), образующаяся за счет активации работы фосфолипазы D (PLD) увеличивает образование ROS). 3. Открываются Ca 2+ каналы плазмалеммы. 4. АБК стимулирует продукцию NO и NO повышает уровень циклической АДФрибозы (c. ADPR). 5. АБК увеличивает уровень IP 3 через систему трансдукции сигналов, включающую сфингозин-1 -фосфат (S 1 P), G -белки и фосфолипазы С и D (PLC и PLD). 6. Повышение c. ADPR и IP 3 активизирует дополнительные каналы кальция на тонопласте. 7. Повышение внутриклеточного кальция блокирует K+-in каналы на плазмалемме. 8. Повышение внутриклеточного кальция продвигает открытие хлоридных (анионных) каналов на плазмалемме, вызывая ее деполяризацию 9. Ингибируется Н-АТФ-за плазмалеммы. 10. Деполяризация мембраны активирует К+out каналы плазмалеммы.
RCAR/PYL – цитозольные рецепторы АБК (Regulatory Components of ABA Receptor/ Pyrobactin Resistant-Like) в отсутствии АБК Рецептор – белок семейства START в присутствии АБК Образуют сигналосом ный комплекс протеинфосфатазы 2 С ABI 1, 2 Ser/Thr протеинкиназы ABI 5 ABA-Responsive Elements ТФ семейства b. ZIP Мономерная убиквитин-лигаза SUMO Гены ответа на стресс (LEA, PR, etc. )
Принципиальная схема работы двух рецепторов ауксинов – «быстрого» (АВР 1) и «глобального» (TIR 1) 1. Активация гена: В норме промотор гена Н+АТФ-зы «закрыт» репрессорным комплексом. Ауксин вызывает протеолитическую деградацию репрессора. Активация транскрипции ведет к увеличению Н+АТФ-зы на плазменной мембране. 2. Перемещение и встраивание белка: Degradation Ауксин-связывающий белок (рецептор ауксина ) ABP 1 может увеличивать перемещение H +-ATФзы к плазмалемме. 3. Стабилизация H +ATФзы: Обработка ауксином вызывает сохранение Н+АТФ-зы в плазмалемме. Это тоже может быть обусловлено ABP 1
Сигнальная система гиббереллинов (два рецептора гиббереллинов – мембранный и ядерный) 1. GA 1 из эмбриоида связывается с гипотетическим мембранным рецептором на поверхности клетки алейронового слоя. 2. Комплекс GA-рецептор взаимодействует с гетеротримерным Gбелком и запускает две независимых цепи трансдукции сигнала Са 2+- независимую и Са 2+-зависимую --------------------------------------------- 3. Ca 2+-независимый путь, вовлекающий c. GMP и ряд других компонентов, завершается активацией F-белка - компонента SCFубиквитин-лигазного комплекса. 4. GA 1 может также войти в клетку непосредственно и связаться с альтернативным рецепторным белком, который расположен преимущественно в ядре. 5. После связывания с GA с рецептором, конструкция взаимодействует с DELLA (белком репрессором, который блокирует транскрипцию GAMYB генов или других активаторов транскрипции). 6. Комплекс (GA +рецептор+ DELLA) узнается убиквитин-лигазой SCF, которая направляет DELLA-белки репрессоры на убиквитинирование и соответствующую деградацию в протеосоме. 7. Деградация репрессора приводит к транскрипции GAMYB и других генов раннего ответа. 8. Вновь синтезируемый GAMYB белок перемещается в ядро и связывается с промотороами генов α-амилазы и других гидролитических ферментов, запуская их транскрипцию (9). 10. Амилаза и другие гидролазы синтезируются на шероховатом ER, затем перемещаются в AG (11). ---------------------------------------12. Для активации секреторного пути транспорта этих белков необходима стимуляция гиббереллином кальциевой сигнальной системы - Са 2+-зависимый путь
Гиббереллины индуцируют синтез гидролаз при прорастании…
ГК способствуют росту, запуская деление и растяжение клеток GA индуцируют экспрессию циклинов – белковoв, регулирующих прохождение клеточного цикла деление клеток растяжение клеток GA стимулируют растяжение за счет разрыхления клеточной стенки и стабилизации ориентации кортикальных микротрубочек, которые способствуют направленному росту
Strigolactones, synthesized from carotenoids, are produced in plant roots. They attract mycorrhizal fungi and promote the germination of parasitic plants of the genus Striga. Image source USDA APHIS PPQ Archive ; Reprinted from Tsuchiya, Y. , and Mc. Court, P. (2009). Strigolactones: A new hormone with a past. Curr. Opin. Plant Biol. 12: 556– 561 with permission from Elsevier.
Strigolactones inhibit branch outgrowth (ингибируют рост боковых побегов) WT Apex Bud Auxin Strigolactone Mutant Auxin transported from the Ауксин транспортируется shoot to the root induces из побегов в корень strigolactone synthesis, вызывает синтез which indirectly inhibits bud стригалактонов, которые outgrowth. косвенно ингибируют развитие почки. In a rice mutant that does not produce strigolactones, tillers (lateral branches) grow out as shown. Lin, H. , et al. (2009) DWARF 27, an iron-containing protein required for the biosynthesis of strigolactones, regulates rice tiller bud outgrowth. Plant Cell 21: 1512 -1525.
Спасибо за внимание!
GA promotes growth through cortical microtubule orientation Circumferential or hoop-like cortical microtubules help promote unidirectional, elongation growth. Control Uniconazole (GA synthesis Uniconazole inhibitor) + GA Inhibition of GA biosynthesis disrupts cortical microtubule arrangement while GA restores arrangement. Inada, S. and Shimmen, T. (2000). Regulation of elongation growth by gibberellin in root segments of Lemna minor. Plant Cell Physiol 41: 932 -929, by permission of the Japanese Society of Plant Physiologists.
Убиквитины – метки смерти…. Убиквитин – небольшой белок, 76 аминокислот. Убиквитин (желтый) активизируется убиквитин-активирующим ферментом. E 1 (красный). Терминальный Gly на Сконце убиквитина формирует тиоэфир с цистеиновым остатком E 1. Активированный убиквитин перемещается на один из нескольких убиквитин-связывающих ферментов, E 2 (зеленый), снова формируя тиоэфир. После этого убиквитин перемещается на субстрат (белок-мишень, голубой), связываясь с внутренним Lys остатком этого белка. Эта реакция обычно требует еще одного фактора – убиквитин-белок-лигазы E 3 (синяя), который связывает E 2 с белкоммишенью. Обычно на белок-мишень «навешивается» несколько убиквитинов. Убиквитированные белки направляются в протеасому для развала до аминокислот…
Fig. 1. Circadian clock-mediated diurnal hypocotyl growth (A, B) Arabidopsis hypocotyl growth for 4 to 5 -day-old seedlings, before their cotyledons are fully expanded, is regulated by different inputs at different parts of the day. (A) Hypocotyl growth rate is most affected by light intensity at dusk. (B) Carbon source availability most affects the growth rate at dawn (dusk and dawn are indicated by open arrowheads). The graphs were modified from [7]. (C) The circadian clock coordinates various pathways involved in diurnal growth regulation. These pathways include phytochrome, sucrose and GA signaling, and the components (ELF 3, ELF 4, and LUX) of the evening complex, ultimately resulting in transcriptional or posttranslational regulation of PIF 4 and PIF 5. Higher sucrose levels reduce the degradation rate of PIF 5 resulting in an enlarged morning response to growth. PHYB signals keep PIF levels low under light. The evening complex represses the expression of PIF 4 and PIF 5 at dusk. Higher amounts of GA-GID 1 complex around dawn induces degradation of DELLA proteins, which prevent PIF 4 (and possibly PIF 5) from binding to target DNA. PIF 4/PIF 5 m. RNA profile is shown by a pink line. Coordinated regulation by the clock contributes to temporally confined growth that occurs at dawn and dusk through convergence of light, hormone, and metabolic signaling.
Работа каждой из фосфолипаз может приводить к образованию вторичных мессенджеров Лизофософолипид
Общая схема биосинтеза изопреноидов.
Скачать презентацию Особенность растений Прикрепленный образ жизни Морфогенез регулируется факторами
Семинар гормоны рецепция_2013.ppt