Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Действие элиситорных препаратов обусловлено наличием в их составе особых биологически активных веществ. По современным представлениям сигнальные вещества или элиситоры - это биологически активные соединения различной природы, которые в очень низких дозировках, измеряемых мили-, микро-, а в отдельных случаях - и нанограммами, вызывают каскады различных ответных реакции растений на генетическом, биохимическом и физиологическом уровнях. Воздействие их на фитопатогенные организмы осуществляется посредством влияния на генетический аппарат клеток и изменения физиологии самого растения, придания ему большей жизнестойкости, сопротивляемости различным негативным факторам среды.

Взаимоотношение растений с окружающим миром, как высокоорганизованных элементов экологических систем, осуществляется путем восприятия физических и химических сигналов, поступающих извне и корректирующих все процессы их жизнедеятельности посредством влияния на генетические структуры, иммунную и гормональную системы. Исследование сигнальных систем растений - это одно из самых многообещающих направлений в современной клеточной и молекулярной биологии. В последние десятилетия учеными достаточно много внимания уделялось изучению сигнальных систем, отвечающих за устойчивость растений к фитопатогенам .

Биохимические процессы, происходящие в клетках растений, строго скоординированы целостностью организма, которая дополняется их адекватными реакциями на потоки информации, связанные с различными воздействиями биогенных и техногенных факторов. Эта координация осуществляется за счет работы сигнальных цепей (систем), которые сплетаются в сигнальные сети клеток. Сигнальные молекулы включают в работу большинство гормонов, как правило, не проникая внутрь клетки, а взаимодействуя с молекулами-рецепторами внешних клеточных мембран. Эти молекулы представляют собой интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых пронизывает толщу мембраны. Разнообразные молекулы, инициирующие трансмембранную передачу сигналов, активируют рецепторы в нано-концентрациях (10-9-10-7 М). Активированный рецептор передает сигнал внутриклеточным мишеням - белкам, ферментам. При этом модулируется их каталитическая активность или проводимость ионных каналов. В ответ на это формируется определенный клеточный ответ, который, как правило, заключается в каскаде последовательных биохимических реакций. Помимо белковых посредников в передаче сигналов могут участвовать и относительно небольшие молекулы-мессенджеры, функционально являющиеся посредниками между рецепторами и клеточным ответом. Примером внутриклеточного мессенджера является салициловая кислота, участвующая в индукции стрессовых и иммунных реакций растений. После выключения сигнальной системы мессенджеры быстро расщепляются или (в случае катионов Са) откачиваются через ионные каналы. Таким образом, белки образуют своеобразную «молекулярную машину», которая, с одной стороны, воспринимает внешний сигнал, с другой, - обладает ферментной или иной активностью, моделируемой этим сигналом .

В многоклеточных растительных организмах передача сигнала осуществляется через уровень общения клеток. Клетки «разговаривают» на языке химических сигналов, что позволяет осуществлять гомеостаз растения как целостной биологической системы. Геном и сигнальные системы клеток образуют сложную самоорганизующуюся систему или своеобразный «биокомпьютер». Жестким носителем информации в нем является геном, а сигнальные системы играют роль молекулярного процессора, выполняющего функции оперативного управления. В настоящее время мы располагаем только самыми общими сведениями о принципах работы данного чрезвычайно сложного биологического образования. Во многом остаются еще невыясненными молекулярные механизмы сигнальных систем. Среди решения многих вопросов предстоит расшифровка механизмов, обусловливающих временный (преходящий) характер включения тех или иных сигнальных систем, и в то же время, длительную память об их включении, проявляющуюся, в частности, в приобретении системного пролонгированного иммунитета .

Между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь: с одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой - сигнальные системы управляются геномом, экспрессируя одни и супрессируя другие гены. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промоторные участки генов, программирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клетки, например, индукцию иммунитета к фитопатогенам .

В качестве сигнальных молекул или элиситоров, проявляющих индукционную активность, могут выступать различные органические соединения-лиганды и их комплексы: аминокислоты, олигосахариды, полиамины, фенолы, карбоновые кислоты и эфиры высших жирных кислот (арахидоновая, эйкозапентаеновая, олеиновая, жасмоновая и др.), гетероциклические и элементоорганические соединения, в том числе некоторые пестициды и др. .

К вторичным элиситорам, образующимся в клетках растений при действии биогенных и абиогенных стрессоров и включающимся в сигнальные сети клеток, относят фитогормоны: этилен, абсцизовую, жасмоновую, салициловую кислоты, а

также полипептид системин и некоторые другие соединения, которые вызываютэкспрессию защитных генов, синтез соответствующих белков, образование фитоалексинов (специфические вещества, обладающие антимикробным действием и вызывающие гибель патогенных организмов и пораженных клеток растений) и, в конечном итоге, способствуют формированию системной устойчивости у растений к негативным факторам среды .

В настоящее время наиболее изучены семь сигнальных систем клеток: циклоаденилатная, MAP-киназная (mitogen-activated protein-kinase), фосфатидокислотная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-оксидазная (супероксидсинтазная), NO-синтазная. Ученые продолжают открывать новые сигнальные системы и их биохимических участников .

Растения в ответ на атаку патогенов могут использовать различные пути формирования системной устойчивости, которые запускаются разными сигнальными молекулами. Каждый из элиситоров, воздействуя на жизнедеятельность растительной клетки по определенному сигнальному пути, через генетический аппарат, вызывает широкий комплекс реакций, как защитного (иммунного), так и гормонального характера, приводящих к изменению свойств самих растений, что позволяет им противостоять целому комплексу стрессовых факторов. При этом в растениях осуществляется ингибирующее или синергирующее взаимодействие различных сигнальных путей, сплетающихся в сигнальные сети .

Индуцированная устойчивость по проявлению сходна с генетически обусловленной горизонтальной устойчивостью, с той лишь разницей, что характер ее определяется фенотипическими изменениями генома. Тем не менее, она обладает определенной стабильностью и служит примером фенотипической иммунокоррекции растительной ткани, поскольку в результате обработки веществами элиситорного действия изменяется не геном растений, а лишь его функционирование, связанное с уровнем активности защитных генов .

Определенным образом эффекты, возникающие при обработке растений иммуноиндукторами, родственны генной модификации, отличаясь от нее отсутствием количественных и качественных изменений самого генофонда. При искусственной индукции иммунных реакций наблюдаются только фенотипические проявления, характеризующиеся изменениями активности экспрессированных генов и характера их функционирования . Тем не менее, вызванные обработкой фитоактиваторами растений изменения обладают определенной степенью стойкости, что проявляется в индукции пролонгированного системного иммунитета, поддерживающегося в течение 2-3 и более месяцев, а также в сохранении приобретенных свойств растениями в течение 1-2 последующих репродукций .

Характер действия определенного элиситора и достигаемые эффекты находятся в самой тесной зависимости от силы формируемого сигнала или используемой дозировки. Данные зависимости, как правило, имеют не прямолинейный, а синусоидальный характер, что может служить доказательством переключения сигнальных путей при их ингибирующих или синергирующих взаимодействиях .Установлено также, что в условиях действия стрессовых факторов растения положительно реагируют на более низкие дозировки фитоактиваторов, что свидетельствует о более высокой выраженности их адаптогенного действия. Напротив, обработка данными веществами в больших дозировках, как правило, вызывала десенсибилизационные процессы в растениях, резко снижая иммунный статус растений и приводя к усилению восприимчивости растений к заболеваниям .

Президиум Российской академии наук
ПРИСУДИЛ
премию имени А.Н.Баха 2002 года
академику Игорю Анатольевичу ТАРЧЕВСКОМУ
за цикл работ «Сигнальные системы клеток растений»

Академик И.А. ТАРЧЕВСКИЙ
(Казанский Институт биохимии и биофизики КНЦ РАН, Институт биохимии им.А.Н.Баха РАН)

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ

И.А.Тарчевский в течение почти 40 лет исследует влияние абиотических и биотических стрессоров на метаболизм растений. Последние 12 лет наибольшее внимание уделяется одному из наиболее перспективных направлений современной биохимии и физиологии растений — роли сигнальных систем клеток в формировании состояния стресса. По этой проблеме И.А.Тарчевским было опубликовано 3 монографии: «Катаболизм и стресс у растений» , «Метаболизм растений при стрессе» , и «Сигнальные системы клеток растений» . В 30 статьях И.А.Тарчевским и соавторами опубликованы результаты исследований аденилатциклазной , кальциевой , липоксигеназной и НАДФН- оксидазной сигнальных систем клеток растений. Исследуется NО-синтазная сигнальная система .

Анализ особенностей катаболизма растений при стрессе позволил сделать вывод о сигнальной функции «обломков кораблекрушения» — олигомерных продуктов деградации биополимеров и «фрагментов» фосфолипидов . Сделанное в этой работе предположение об элиситорных (сигнальных) свойствах продуктов деградации кутина позднее было подтверждено зарубежными авторами .

Публиковались не только работы экспериментального характера, но и обзоры, в которых подводились итоги исследований сигнальных систем клеток растений отечественными и зарубежными авторами .

Начатые в лаборатории автора А.Н.Гречкиным и затем продолженные им в самостоятельной лаборатории исследования липидного метаболизма позволили получить результаты приоритетного характера, значительно расширившие представления о липоксигеназном сигнальном каскаде. Изучение влияния интермедиата НАДФН-оксидазной системы — салициловой кислоты на синтез белков привело к выводу о причине давно установленной биологической активности другого соединения — янтарной кислоты. Оказалось, что последняя является миметиком салицилата и обработка ею растений «включает» сигнальные системы, что приводит к синтезу салицилат-индуцируемых защитных белков и повышению устойчивости к патогенам .

Было обнаружено, что различные экзогенные стрессовые фитогормоны — жасмоновая, салициловая и абсцизовая кислоты вызывают индукцию синтеза как одних и тех же белков (что свидетельствует о «включении» этими гормонами одних и тех же сигнальных путей), так и специфичных для каждого из них белков (что указывает на одновременное «включение» и различающихся сигнальных каскадов) .
Впервые в мировой литературе И.А.Тарчевским был проведен анализ функционирования в растениях всех известных сигнальных систем клеток и возможностей их взаимовлияния, что привело к представлению о существовании в клетках не изолированных сигнальных систем, а о сигнальной сети, состоящей из взаимодействующих систем .

Была предложена классификация патоген-индуцируемых белков по функциональному признаку и сделан обзор особенностей синтеза «включаемого» различными сигнальными системами синтеза этих белков . Одни из них являются участниками сигнальных систем растений, и их интенсивное образование обеспечивает усиление восприятия, преобразования и передачи в генетический аппарат элиситорных сигналов, другие ограничивают питание патогенов, третьи катализируют образование фитоалексинов, четвертые — реакции укрепления клеточных стенок растений, пятые вызывают апоптоз инфицированных клеток. Функционирование всех этих патоген-индуцированных белков существенно ограничивает распространение инфекции по растению. Шестая группа белков может непосредственно действовать на структуру и функции патогенов, прекращая или подавляя их развитие. Некоторые из этих белков вызывают деградацию клеточной стенки грибов и бактерий, другие дезорганизуют функционирование их клеточной мембраны, изменяя ее проницаемость для ионов, третьи подавляют работу белок-синтезирующей машины, блокируя синтез белков на рибосомах грибов и бактерий или действуя на вирусную РНК.

Наконец, впервые был подведен итог работам по конструированию устойчивых к патогенам трансгенных растений, причем в основу этой обзорной работы была положена упомянутая выше классификация патоген-индуцируемых защитных белков , Особое внимание уделено результатам исследования с помощью трансгенных растений особенностей функционирования сигнальных систем клеток.

Исследования сигнальных систем клеток растений имеет не только большую теоретическую важность (так как они составляют основу молекулярных механизмов стресса), но и большое практическое значение, поскольку позволяют создавать эффективные антипатогенные препараты на основе природных элиситоров и интермедиатов сигнальных систем.

Различным аспектам функционирования сигнальных систем клеток растений были посвящены Тимирязевская, Костычевская и Сисакяновская лекции И.А.Тарчевского (последняя в соавторстве с А.Н.Гречкиным), а также выступления на Международных конференциях (в Венгрии, Англии, Франции, Польше, Турции, Израиле, Индии, Германии и др.).

За исследования одной из сигнальных систем — липоксигеназной, И.А.Тарчевский и чл.-корр.РАН А.Н.Гречкин в 1999 году были удостоены премии имени В.А.Энгельгардта Академии наук Республики Татарстан.

Во многих публикациях И. А.Тарчевского принимали участие в качестве соавторов его коллеги — член-корреспондент РАН А.Н.Гречкин, доктора биологических наук Ф.Г.Каримова, Н.Н.Максютова, В.М.Чернов, О.А.Чернова и кандидат биологических наук В.Г.Яковлева.

В 2001 году по инициативе И.А.Тарчевского и при его участии в качестве председателя Оргкомитета в Москве был проведен Международный симпозиум по сигнальным системам клеток растений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тарчевский И.А. Катаболизм и стресс у растений. Наука. М. 1993. 83 c.
2. Тарчевский И.А. Метаболизм растений при стрессе. Избранные труды. Изд.»Фэн» (Наука). Казань. 2001. 448 с.
3. Тарчевский И.А.Сигнальные системы клеток растений. М.: Наука, 2002. 16,5 п.л. (в печати).
4. Максютова Н.Н., Викторова Л.В., Тарчевский И.А. Действие АТФ и ц-АМФ на синтез белков зерновок пшеницы. // Физиол. биохим. культур. растений. 1989. Т. 21. № 6. С.582-586.
5. Grechkin A.N., Gafarova T.E., Korolev O.S., Kuramshin R.A., Tarchevsky I.A. The monooxygenase pathway of linoleic acid oxidation in pea seedlings. / In: «Biological Role of Plant Lipids». Budapest: Akad. Kiado. New York, London. Plenum. 1989. P.83-85.
6. Tarchevsky I.A., Grechkin A.N. Perspectives of search for eicosаnoid analogs in plants. / In: «Biological Role of Plant Lipids». Budapest: Akad. Kiado. New York, London. Plenum. 1989. P.45-49.
7. Гречкин А.Н., Кухтина Н.В., Курамшин Р.А., Сафонова Е.Ю., Ефремов Ю.Я., Тарчевский И.А. Метаболизация коронаровой и верноловой кислот в гомогенате эпикотилей гороха. // Биоорган. химия. 1990. Т.16. N 3. С. 413-418.
8. Grechkin A.N., Gafarova T.E., Tarchevsky I.A. Biosynthesis of 13-oxo-9(Z), 11(E)-tridecadienoic acid in pea leaf homogenate. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P. 304-306.
9. Grechkin A.N., Kuramshin R.A., Tarchevsky I.A. Minor isomer of 12-oxo-10,15-phytodienoic acid and the mechanism of natural cyclopentenones formation. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P.301-303.
10. Tarchevsky I.A., Kuramshin R.A., Grechkin A.N. Conversation of α-linolenate into conjugated trienes and oxotrienes by potato tuber lipoxygenase. / In: «Plant Lipid Biochemistry. Structure and Utilization». London. Portland Press. 1990. P. 298-300.
11. Гречкин А.Н., Курамшин Р.А., Тарчевский И.А. Образование нового α-кетола гидропероксид-дегидразой из семян льна. // Биоорган. химия. 1991. Т. 17. № 7. С. 997-998.
12. Grechkin A.N., Kuramshin R.A, Safonova E.Y., Yefremov Y.J., Latypov S.K., Ilyasov A.V., Tarchevsky I.A. Double hydroperoxidation of linolenic acid by potato tuber lipoxygenase. // Biochim. Biophys. Acta. 1991. V. 1081. N 1. P. 79-84.
13. Тарчевский И.А. Регуляторная роль деградации биополимеров и липидов. // Физиол. растений. 1992. Т. 39. N 6. С.156-164.
14. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние салициловой кислоты на синтез белков проростков гороха. // Физиология растений. 1996. Т.43. N 5. С. 667-670.
15. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г., Чернов В.М. Микоплазма-индуцированные и жасмонат-индуцированные белки растений гороха. // Доклады РАН. 1996. Т. 350. N 4. С. 544 — 545.
16. Чернов В.М., Чернова О.А.,Тарчевский И.А. Феноменология микоплаз-менных инфекций у растений. // Физиол. растений. 1996. Т. 43. N.5. С. 721 — 728.
17. Тарчевский И.А. О вероятных причинах активирующего действия янтарной кислоты на растения./ В кн.»Янтарная кислота в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве». Пущино. 1997. С.217-219.
18. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Липоксигеназная сигнальная система. // Физиол. растений. 1999. Т. 46. № 1. С. 132-142.
19. Каримова Ф.Г., Корчуганова Е.Е., Тарчевский И.А., Абубакирова М. Р. Na+/Ca+ -обмен в клетках растений. // Доклады РАН. 1999. Т.366. № 6. С. 843-845.
20. Каримова Ф.Г., Тарчевский И.А., Мурсалимова Н.У., Гречкин А.Н. Влияние продукта липоксигеназного метаболизма -12-гидроксидодеценовой кислоты на фосфорилирование белков растений. // Физиол. растений. 1999. Т.46. №1. С.148-152.
21. Тарчевский И.А. Взаимодействие сигнальных систем клеток растений, «включаемых» олигосахаридами и другими элиситорами. // «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». Материалы Пятой конференции. М. Изд-во ВНИРО. 1999. С.105-107.
22. Тарчевский И.А., Гречкин А.Н., Каримова Ф.Г., Корчуганова Е.Е., Максютова Н.Н., Мухтарова Л.Ш., Яковлева В.Г., Фазлиев Ф.Н., Ягушева М.Р., Палих Э., Хохлова Л.П. О возможности участия циклоаденилатной и липоксигеназной сигнальных систем в адаптации растений пшеницы к низким температурам. / В кн. «Грани сотрудничества. К 10-летию Соглашения о сотрудничестве между Казанским и Гиссенским университетами». Казань: УНИПРЕСС, 1999. С.299-309.
23. Тарчевский И.А, Максютова Н.Н., Яковлева В.Г., Гречкин А.Н. Янтарная кислота — миметик салициловой кислоты. // Физиол. растений. 1999. Т. 46. № 1. С. 23-28.
24. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Липоксигеназный сигнальный каскад растений. // Научный Татарстан. 2000. № 2. С. 28-31.
25. Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Сигнальные системы клеток и геном. // Биоорганическая химия. 2000. Т. 26. № 10. С. 779-781.
26. Тарчевский И.А. Элиситор-индуцируемые сигнальные системы и их взаимодействие. // Физиол. растений. 2000. Т.47.№ 2. С.321-331.
27. Тарчевский И.А., Чернов В.М. Молекулярные аспекты фитоиммунитета. // Микология и фитопатология. 2000. Т. 34. № 3. С. 1-10.
28. Karimova F., Kortchouganova E., Tarchevsky I., Lagoucheva M. The oppositely directed Ca+2 and Na+ transmembrane transport in algal cells. // Protoplasma. 2000. V. 213. P. 93-98.
29. Tarchevsky I.A., Karimova F.G., Grechkin A.N. and Moukhametchina N.M. Influence of (9Z)-12-hydroxy-9-dodecenoic acid and methyl jasmonate on plant protein phosphorylation. // Biochemical Society Transactions. 2000. V. 28. N. 6. P. 872-873.
30. Тарчевский И.А. Патоген-индуцируемые белки растений. // Прикладная микробиология и биохимия. 2001. Т. 37. № 5. С. 1-15.
31. Тарчевский И.А., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние салицилата, жасмоната и АБК на синтез белков. // Биохимия. 2001. Т. 66. N. 1. С. 87-91.
32. Yakovleva V.G., Tarchevsky I.A., Maksyutova N.N. Influence of NO donor nitroprusside on protein synthesis in pea seedlings. // Abstracts of International Symposium «Plant Under Environmental Stress». Moscow. Publishing House of Peoples’ Friendship University of Russia. 2001. P. 318-319.
33. Yakovleva V.G., Maksyutova N.N., Tarchevsky I.A., Abdullaeva A.R. Influence of donor and inhibitor of NO-synthase on protein synthesis of pea seedlings. // Abstracts of International Symposium «Signalling systems of plant cells». Moscow, Russia, 2001, June, 5-7. ONTI, Pushchino. 2001. P. 59.

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2000, том 26, № 10, с. 779-781

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ -

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК И ГЕНОМ © 2000 г. А. И. Гречкин#, И. А. Тарчевский

Казанский институт биохимии и биофизики РАН, Казань; Институт биохимии имени А.Н. Баха РАН, Москва

Прогнозы о будущем молекулярной и клеточной биологии до 2000 года, сделанные Ф. Криком в 1970 году, были достаточно смелыми. Задача изучения генома представлялась гигантской и долговременной, однако концентрация огромных научных и финансовых ресурсов привела к быстрому решению многих проблем, стоявших 30 лет назад перед молекулярной биологией и молекулярной генетикой. В то время было еще сложнее предвидеть прогресс в области клеточной биологии. За прошедшие годы в значительной степени стерлась грань между клеточным и молекулярным уровнями исследований. В 1970 году, например, не существовало представления о клеточных сигнальных системах, которое достаточно четко оформилось лишь к середине 80-х годов. В настоящей статье будет сделана попытка осветить существующее состояние и перспективы развития исследований сигнальных систем клеюк - одного из важнейших направлений современной биологии, объединяющих биохимию, биоорганическую химию, молекулярную биологию, молекулярную генетику, физиологию растений и микроорганизмов, физиологию человека и животных, медицину, фармакологию, биотехнологию.

Исследования последних лет показали, что между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь. С одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой - сигнальные системы управляют геномом, экспрессируя одни и супресси-руя другие гены. Сигнальные молекулы, как правило, отличаются быстрым метаболическим оборотом и малым временем жизни. Исследования, связанные с сигнальными системами, интенсивно развиваются, но молекулярные механизмы сигнальных связей остаются во многом не выясненными. В этом направлении многое предстоит сделать в следующие два-три десятилетия.

Общие принципы работы сигнальных систем в значительной степени универсальны. Универсальность ДНК, "главной" молекулы жизни, определяет сходство механизмов ее обслуживания в клетках микроорганизмов, растений и животных. В последние годы все больше утверждается универсальность механизма передачи экстраклеточ-

ных сигналов в генетический аппарат клетки. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промо-торные участки генов, репрограммирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клеток, например, у растений - повышение устойчивости к неблагоприятным экологическим факторам или иммунитета к патогенам. Универсальным участником сигнальных систем является блок протеин-киназы-фосфопротеинфосфатазы, определяющий активность многих ферментов, а также белкового фактора регуляции транскрипции (взаимодействующего с промоторными участками генов), от которого зависит изменение интенсивности и характера репрограммирования экспрессии генов, что, в свою очередь, определяет функциональный ответ клетки на сигнал.

В настоящее время выявлено, как минимум, семь видов сигнальных систем: циклоаденилат-

ная, МАР*-киназная, фосфатидатная, кальциевая, оксилипиновая, супероксидсинтазная и N0-синтазная . В первых шести системах (рисунок, сигнальный путь 1) белковые рецепторы сигналов, имеющие универсальный тип структуры, "пмонтированы" в клеточную мембрану и воспринимают сигнал вариабельным экстраклеточным К-доменом. При этом происходит изменение конформации белка, в том числе его цитоплазма-тического С-участка, что приводит к активации ассоциированного с ним в-белка и передаче импульса возбуждения на первый фермент и последующие интермедиа™ сигнальной цепи.

Не исключено, что некоторые первичные сигналы действуют на рецепторы, локализованные в цитоплазме и связанные сигнальными путями с геномом (рисунок, сигнальный путь 2). Интересно, что в случае.МО-сигнальной системы этот путь включает локализованный в клеточной мембране фермент Ж)-синтазу (рисунок, сигнальный путь 4-3). Некоторые физические или химические сигналы могут взаимодействовать непосредственно с липидной составляющей клеточной мембраны, вызывая ее модификацию, что приводит к изменению конформации рецепторного белка и вклю-

*МАР - mitogen activated protein, активируемый митогеном белок.

ГРЕЧКИН, ТАРЧЕВСКИЙ

Схема разнообразия сигнальных путей клеток. Обозначения: 1,5,6- рецепторы, локализованные в клеточной мембране; 2,4- рецепторы, локализованные в цитоплазме; 3 - ИО-синтаза, локализованная в клеточной мембране; 5 - рецептор, активируемый изменением конформации липидной фазы мембраны; ФРТ - факторы регуляции транскрипции; СИБ - сигналиндуцированные белки.

чению сигнальной системы (рисунок, сигнальный путь 5).

Известно, что восприятие сигнала рецепторами клеточной мембраны приводит к быстрому изменению проницаемости ее ионных каналов. Более того, считается, например, что сигналинду-цируемое изменение концентрации протонов и других ионов в цитоплазме может играть роль ин-термедиатов в сигнальной системе, индуцируя в итоге синтез сигналзависимых белков (рисунок, сигнальный путь 6).

О результатах функционирования сигнальных систем у растений можно судить по патоген(эли-ситор)-индуцируемым белкам, которые подразделяются на несколько групп по тем функциям, которые они выполняют. Одни являются участниками сигнальных систем растений, и их интенсивное образование обеспечивает расширение сигнальных каналов, другие ограничивают питание патогенов, третьи катализируют синтез низкомолекулярных антибиотиков - фитоалексинов, четвертые - реакции укрепления клеточных стенок растений. Функционирование всех этих патоген-индуцированных белков может существенно ограничивать распространение инфекции по растению. Пятая группа белков вызывает деградацию клеточных стенок грибов и бактерий, шестая дезорганизует функционирование их клеточной мембраны, изменяя ее проницаемость для ионов, седьмая подавляет работу белоксинтезирующей машины, блокируя синтез белков на рибосомах грибов и бактерий или действуя на вирусную РНК.

эволюционно более молоды, так как при их функционировании используется молекулярный кислород. Последнее привело к тому, что к важнейшей функции передачи информации об экстраклеточном сигнале в геном клетки добавилась еще одна, связанная с появлением активных форм липидов (в случае оксилипиновой системы), кислорода (во всех трех случаях) и азота (в случае ЫО-сигнальной системы). Сопутствующие этим трем системам реакции с участием молекулярного кислорода отличаются очень высокой скоростью, что характеризует их как "системы быстрого реагирования". Многие продукты этих систем цитотоксичны и могут подавлять развитие патогенов или убивать их, приводить к некрозу инфицированных и соседних клеток, затрудняя тем самым проникновение патогенов в ткань.

К числу наиболее важных сигнальных систем относится оксилипиновая сигнальная система, широко распространенная у всех эукариотических организмов . Недавно введенный термин "оксилипины" обозначает продукты окислительного метаболизма полиеновых жирных кислот независимо от их структурных особенностей и длины цепи (С18, С20 и другие). Оксилипины выполняют не только функцию сигнальных медиаторов при передаче преобразованной информации к геному клетки, но и ряд других функций. Ко времени выхода статьи Ф. Крика были известны ферменты липоксигеназы и сравнительно небольшое количество оксилипинов, например некоторые простагландины. За прошедшие тридцать лет не только был выяснен циклооксигеназный путь биосинтеза простагландинов, но и обнаруже-

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК И ГЕНОМ

ны многие новые биорегуляторы-оксилипины. Оказалось, что простаноиды и другие эйкозанои-ды (продукты метаболизма С20-жирных кислот) поддерживают гомеостаз у млекопитающих на клеточном и организменном уровнях, контролируют многие жизненно важные функции, в частности, сокращение гладкой мускулатуры, свертывание крови, деятельность сердечно-сосудистой, пищеварительной и дыхательной систем, воспалительные процессы, аллергические реакции. Первая из перечисленных функций, контроль сокращений гладкой мускулатуры, совпадает с одним из предсказаний Ф. Крика, прогнозировавшего расшифровку механизмов функционирования мышц.

Одним из перспективных направлений является исследование оксилипиновой сигнальной системы и ее роли у растений и немлекопитающих. Интерес к этой области связан во многом с тем, что метаболизм оксилипинов у млекопитающих и растений имеет больше различий, чем сходства. За последние тридцать лет были достигнуты заметные успехи в изучении оксилипинового сигнального метаболизма у растений . Некоторые из обнаруженных оксилипинов контролируют рост и развитие растений, участвуют в формировании местной и системной устойчивости к патогенам и в адаптации к действию неблагоприятных факторов.

Особый интерес представляют факты управления сигнальными системами экспрессией генов, кодирующих белковые интермедиа™ самих сигнальных систем. Это управление включает автокаталитические циклы или, в случае экспрессии генов фосфопротеинфосфатаз, приводит к подавлению той или иной сигнальной системы. Было обнаружено, что может происходить сигна-линдуцируемое образование как начальных белковых участников сигнальных цепей - рецепторов, так и конечных - факторов регуляции транскрипции. Имеются данные и об элиситориндуцируемой активации синтеза белковых промежуточных ин-термедиатов сигнальных систем, вызванной, например, экспрессией генов МАР-киназы, кальмо-дулина, различных липоксигеназ, циклооксигена-зы, ]ЧО-синтазы, протеинкиназ и т.д.

Геном и сигнальная сеть клетки образуют сложную самоорганизующуюся систему, своеобразный биокомпьютер. В этом компьютере жестким носителем информации является геном, а сигнальная сеть играет роль молекулярного процессора, выполняющ

Устойчивость растений к патогенам определяется, как было установлено Х.Флором в 50-е годы 20 века взаимодействием комплементарной пары генов растения-хозяина и патогена, соответственно, гена устойчивости (R) и гена авирулентности (Аvr). Специфичность их взаимодействия предполагает, что продукты экспрессии этих генов участвуют в распознавании растением патогена с последующим активированием сигнальных процессов для включения защитных реакций.

В настоящее время известно 7 сигнальных систем: циклоаденилатная, MAP-киназная (mitogen-activated protein-kinase), фосфатидокислотная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФ·Н-оксидазная (супероксидсинтазная), NO-синтазная.

В пяти первых сигнальных системах посредником между цитоплазматической частью рецептора и первым активируемым ферментом являются G-белки. Эти белки локализованы на внутренней стороне плазмалеммы. Их молекулы состоят из трех субъединиц: a, b и g.

Циклоаденилатная сигнальная система. Взаимодействие стрессора с рецептором на плазмалемме приводит к активации аденилатциклазы, которая катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из АТФ. цАМФ активирует ионные каналы, включая кальциевую сигнальную систему, и цАМФ-зависимые протеинкиназы. Эти ферменты активируют белки-регуляторы экспрессии защитных генов, фосфорилируя их.

MAP-киназная сигнальная система. Активность протеинкиназ повышается у растений, подвергнутых стрессовым воздействиям (синий свет, холод, высушивание, механическое повреждение, солевой стресс), а также обработанных этиленом, салициловой кислотой или инфицированных патогеном.

В растениях функционирует протеинкиназный каскад как путь передачи сигналов. Связывание элиситора с рецептором плазмалеммы активирует МАР-киназы. Она катализирует фосфорилирование цитоплазматической киназы МАР-киназы, которая активирует при двойном фосфорилировании треониновых и тирозиновых остатков МАР-киназу. Она переходит в ядро, где фосфорилирует белки-регуляторы транскрипции.

Фосфатидокислотная сигнальная система. В клетках животных G белки под воздействием стрессора активируют фосфолипазы C и D. Фосфолипаза С гидролизует фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат с образованием диацилглицерола и инозитол-1,4,5-трифосфата. Последний освобождает Са2+ из связанного состояния. Повышенное содержание ионов кальция приводит к активации Са2+-зависимых протеинкиназ. Диацилглицерол после фосфорилирования специфичной киназой превращается в фосфатидную кислоту, которая является сигнальным веществом в животных клетках. Фосфолипаза D непосредственно катализирует образование фосфатидной кислоты из липидов (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин) мембран.

У растений стрессоры активируют G белки, фосфолипазы С и D у растений. Следовательно, начальные этапы этого сигнального пути одинаковы у животных и растительных клеток. Можно предположить, что в растениях также происходит образование фосфатидной кислоты, которая может активировать протеинкиназы с последующим фосфорилированием белков, в том числе и факторов регуляции транскрипции.

Кальциевая сигнальная система. Воздействие различных факторов (красного света, засоления, засухи, холода, теплового шока, осмотического стресса, абсцизовой кислоты, гиббереллина и патогенов) приводит к повышению содержания ионов кальция в цитоплазме за счет увеличения импорта из внешней среды и выхода из внутриклеточных хранилищ (эндоплазматического ретикулума и вакуоли)

Повышение концентрации ионов кальция в цитоплазме приводит к активации растворимых и мембранносвязанных Са2+-зависимых протеинкиназ. Они участвуют в фосфорилировании белковых факторов регуляции экспрессии защитных генов. Однако было показано, что Са2+ способен непосредственно влиять на человеческий репрессор транскрипции, не задействуя каскад фосфорилирования белков. Также ионы кальция активируют фосфатазы и фосфоинозитспецифичную фосфолипазу С. Регулирующее действие кальция зависит от его взаимодействия с внутриклеточным рецептором кальция - белком кальмодулином.

Липоксигеназная сигнальная система. Взаимодействие элиситора с рецептором на плазмалемме приводит к активации мембранносвязанной фосфолипазы А2, которая катализирует выделение из фосфолипидов плазмалеммы ненасыщенных жирных кислот, в том числе линолевой и линоленовой. Эти кислоты являются субстратами для липоксигеназы. Субстратами для этого фермента могут быть не только свободные, но и входящие в состав триглицеридов ненасыщенные жирные кислоты. Активность липоксигеназ повышается при действии элиситоров, заражении растений вирусами и грибами. Увеличение активности липоксигеназ обусловлено стимуляцией экспрессии генов, кодирующих эти ферменты.

Липоксигеназы катализируют присоединение молекулярного кислорода к одному из атомов (9 или 13) углерода цис,цис-пентадиенового радикала жирных кислот. Промежуточные и конечные продукты липоксигеназного метаболизма жирных кислот обладают бактерицидными, фунгицидными свойствами и могут активировать протеинкиназы. Так, летучие продукты (гексенали и ноненали) токсичны для микроорганизмов и грибов, 12-гидрокси-9Z-додеценовая кислота стимулировала фосфорилирование белков у растений гороха, фитодиеновая, жасмоновая кислоты и метилжасмонат через активирование протеинкиназ повышают уровень экспресии защитных генов.

НАДФ·Н-оксидазная сигнальная система. Во многих случаях заражение патогенами стимулировало продукцию реактивных форм кислорода и гибель клеток. Реактивные формы кислорода не только токсичны для патогена и инфицированной клетки растения-хозяина, но и являются участниками сигнальной системы. Так, перекись водорода активирует факторы регуляции транскрипции и экспрессию защитных генов.

NO-синтазная сигнальная система. В макрофагах животных, убивающих бактерии, наряду с реактивными формами кислорода действует окись азота, усиливающая их антимикробное действие. В животных тканях L-аргинин под действием NO-синтазы превращается в цитруллин и NO. Активность этого фермента была обнаружена и в растениях, причем вирус табачной мозаики индуцировал повышение его активности в устойчивых растениях, но не влиял на активность NO-синтазы в чувствительных растениях. NO, взаимодействуя с супероксидом кислорода, образует очень токсичный пероксинитрил. При повышенной концентрации окиси азота активируется гуанилатциклаза, которая катализирует синтез циклического гуанозинмонофосфата. Он активирует протеинкиназы непосредственно или через образование циклической АДФ-рибозы, которая открывает Са2+ каналы и тем самым повышает концентрацию ионов кальция в цитоплазме, что в свою очередь, приводит к активации Са2+-зависимых протеинкиназ.

Таким образом, в клетках растений существует скоординированная система сигнальных путей, которые могут действовать независимо друг от друга или сообща. Особенностью работы сигнальной системы является усиление сигнала в процессе его передачи. Включение сигнальной системы в ответ на воздействие различных стрессоров (в том числе и патогенов) приводит к активации экспрессии защитных генов и повышению устойчивости растений.

Индуцированные механизмы: а) усиление дыхания, б) накопление веществ, обеспечивающих устойчивость, в) создание дополнительных защитных механических барьеров, г) развитие реакция сверхчувствительности.

Патоген, преодолев поверхностные барьеры и попав в проводящую систему и клетки растения, вызывает заболевание растения. Характер заболевания зависит от устойчивости растения. По степени устойчивости выделяют четыре категории растений: чувствительные, толерантные, сверхчувствительные и крайне устойчивые (иммунные). Кратко охарактеризуем их на примере взаимодействия растений с вирусами.

В чувствительных растениях вирус транспортируется из первично зараженных клеток по растению, хорошо размножается и вызывает разнообразные симптомы заболевания. Однако и в чувствительных растениях существуют защитные механизмы, ограничивающие вирусную инфекцию. Об этом свидетельствует, например, возобновление репродукции вируса табачной мозаики в протопластах, изолированных из зараженных листьев растений табака, в которых закончился рост инфекционности. Темно-зеленые зоны, образующиеся на молодых листьях больных чувствительных растений, характеризуются высокой степенью устойчивости к вирусам. Клетки этих зон почти не содержат вирусных частиц по сравнению с соседними клетками светло-зеленой ткани. Низкий уровень накопления вирусов в клетках темно-зеленой ткани связан с синтезом антивирусных веществ. В толерантных растениях вирус распространяется по всему растению, но плохо размножается и не вызывает симптомов. В сверхчувствительных растениях первично инфицированные и соседние клетки некротизируются, локализуя вирус в некрозах. Считается, что в крайне устойчивых растениях вирус репродуцируется только в первично зараженных клетках, не транспортируется по растению и не вызывает симптомов заболевания. Однако был показан транспорт вирусного антигена и субгеномных РНК в этих растениях, а при выдерживании зараженных растений при пониженной температуре (10-15оС) на инфицированных листьях формировались некрозы.

Наиболее хорошо изучены механизмы устойчивости сверхчувствительных растений. Образование локальных некрозов является типичным симптомом сверхчувствительной реакции растений в ответ на поражение патогеном. Они возникают в результате гибели группы клеток в месте внедрения патогена. Смерть инфицированных клеток и создание защитного барьера вокруг некрозов блокируют транспорт инфекционного начала по растению, препятствует доступу к патогену питательных веществ, вызывают элиминацию патогена, приводят к образованию антипатогенных ферментов, метаболитов и сигнальных веществ, которые активируют защитные процессы в соседних и отдаленных клетках, и в конечном итоге, способствуют выздоровлению растения. Гибель клеток происходит из-за включения генетической программы смерти и образования соединений и свободных радикалов, токсичных как для патогена, так и для самой клетки.

Некротизация инфицированных клеток сверхчувствительных растений, контролируемая генами патогена и растения-хозяина, является частным случаем программированной клеточной смерти (PCD – programmed cell death). PCD необходима для нормального развития организма. Так, она происходит, например, при дифференциации трахеидных элементов в ходе образования ксилемных сосудов и гибели клеток корневого чехлика. Эти периферические клетки погибают даже тогда, когда корни растут в воде, то есть гибель клеток является частью развития растения, а не вызвана действием почвы. Сходство между PCD и гибелью клеток при сверхчувствительной реакции заключается в том, что это два активных процесса, в некротизирующейся клетке также повышается содержание ионов кальция в цитоплазме, образуются мембранные пузырьки, увеличивается активность дезоксирибонуклеаз, ДНК распадается на фрагменты с 3’ОН концами, происходит конденсация ядра и цитоплазмы.

Помимо включения PCD, некротизация инфицированных клеток сверхчувствительных растений происходит в результате выхода фенолов из центральной вакуоли и гидролитических ферментов из лизосом вследствие нарушения целостности клеточных мембран и увеличения их проницаемости. Снижение целостности клеточных мембран обусловлено перекисным окислением липидов. Оно может происходить при участии ферментов и неферментативным путем в результате действия реактивных форм кислорода и свободных органических радикалов.

Одним из характерных свойств сверхчувствительных растений является приобретенная (индуцированная) устойчивость к повторному заражению патогеном. Были предложены термины: системная приобретенная устойчивость (systemic acquired resistance - SAR) и локальная приобретенная устойчивость (localized acquired resistance - LAR). О LAR говорят в тех случаях, когда устойчивость приобретают клетки в зоне, непосредственно примыкающей к локальному некрозу (расстояние примерно 2 мм). В этом случае вторичные некрозы совсем не образуются. Приобретенная устойчивость считается системной, если она развивается в клетках больного растения, удаленных от места первоначального внедрения патогена. SAR проявляется в снижении уровня накопления вирусов в клетках, уменьшении размеров вторичных некрозов, что свидетельствует об угнетении ближнего транспорта вируса. Не ясно, различаются ли между собой LAR и SAR или это один и тот же процесс, происходящий в клетках, расположенных на разном расстоянии от места первичного проникновения вируса в растение.

Приобретенная устойчивость, как правило, неспецифична. Устойчивость растений к вирусам вызывалась бактериальной и грибной инфекциями и наоборот. Устойчивость может индуцироваться не только патогенами, но и различными веществами.

Развитие SAR связано с распространением по растению веществ, образующихся в первично зараженных листьях. Было сделано предположение, что индуктором SAR является салициловая кислота, образующаяся при некротизации первично зараженных клеток.

При заболевании в растениях накапливаются вещества, повышающие их устойчивость к патогенам. Важную роль в неспецифической устойчивости растений играют антибиотические вещества – фитонциды, открытые Б. Токиным в 20-х годах 20 века. К ним относятся низкомолекулярные вещества разнообразного строения (алифатические соединения, хиноны, гликозиды с фенолами, спиртами), способные задерживать развитие или убивать микроорганизмы. Выделяясь при поранении лука, чеснока, летучие фитонциды защищают растение от патогенов уже над поверхностью органов. Нелетучие фитонциды локализованы в покровных тканях и участвуют в создании защитных свойств поверхности. Внутри клеток они могут накапливаться в вакуоли. При повреждениях количество фитонцидов резко возрастает, что предотвращает возможное инфицирование раненых тканей.

К антибиотическим веществам растений относят также фенолы. При повреждениях и заболеваниях в клетках активируется полифенолоксидаза, которая окисляет фенолы до высокотоксичных хинонов. Фенольные соединения убивают патогенны и клетки растения-хозяина, инактивируют экзоферменты патогенов и необходимы для синтеза лигнина.

Среди вирусных ингибиторов обнаружены белки, гликопротеины, полисахариды, РНК, фенольные соединения. Различают ингибиторы заражения, которые влияют непосредственно на вирусные частицы, делая их неинфекционными, или они блокируют рецепторы вирусов. Например, ингибиторы из сока свеклы, петрушки и смородины вызывали почти полное разрушение частиц вируса табачной мозаики, а сок алоэ вызывал линейную агрегацию частиц, что снижало возможность проникновения частиц в клетки. Ингибиторы размножения изменяют клеточный метаболизм, повышая тем самым устойчивость клеток, или угнетают вирусную репродукцию. В устойчивости растений к вирусам участвуют рибосом-инактивирующие белки (RIPs).

В сверхчувствительных растениях табака, пораженных вирусом табачной мозаики, были обнаружены белки, первоначально названные b-белками, а сейчас их обозначают как белки, связанные с патогенезом (PR-белки) или белки, ассоциированные с устойчивостью. Общепринятое название «PR-белки» предполагает, что их синтез индуцируется только патогенами. Однако эти белки образуются и в здоровых растениях при цветении и различных стрессовых воздействиях.

В 1999 году на основе аминокислотной последовательности, серологическим свойствам, энзимной и биологической активности была создана унифицированная для всех растений номенклатура PR-белков, состоящая из 14 семейств (PR-1 – PR-14). Некоторые PR-белки имеют протеазную, рибонуклеазную, 1,3-b-глюканазную, хитиназную активности или являются ингибиторами протеаз. Высшие растения не имеют хитина. Вероятно, что эти белки участвуют в защите растений от грибов, так как хитин и b-1,3-глюканы являются главными компонентами клеточных стенок многих грибов и хитиназа гидролизует b-1,3-связи хитина. Хитиназа может действовать также как лизоцим, гидролизуя пептидоглюканы клеточных стенок бактерий. Однако b-1,3-глюканаза может способствовать транспорту вирусных частиц по листу. Это объясняется тем, что b-1,3-глюканаза разрушает каллозу (b-1,3-глюкан), которая откладывается в клеточной стенке и плазмодесмах и блокирует транспорт вируса.

В состав PR-белков входят также низкомолекулярные (5 кДа) белки – модификаторы клеточных мембран грибов и бактерий: тионины, дефенсины и липидпереносящие белки. Тионины токсичны в условиях in vitro для фитопатогенных грибов и бактерий. Их токсичность обусловлена разрушающим действием на мембраны патогенов. Дефенсины обладают сильными антигрибными свойствами, но не действуют на бактерии. Дефенсины из растений семейств Brassicaceae и Saxifragaceae подавляли рост растяжением гиф грибов, но способствовали их ветвлению. Дефенсины из растений семейств Asteraceae, Fabaceae и Hippocastanaceae замедляли растяжение гиф, но не влияли на их морфологию.

При заражении растений патогенами увеличивается активность литического компартмента клеток чувствительных и сверхчувствительных растений. К литическому компартменту клеток растений относят мелкие вакуоли – производные эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, функционирующие как первичные лизосомы животных, то есть содержащие гидролазы структуры, в которых нет субстратов для этих ферментов. Кроме этих вакуолей к литическому компартменту клеток растений относятся центральная вакуоль и другие вакуоли, эквивалентные вторичным лизосомам клеток животных, которые содержат гидролазы и их субстраты, а также плазмалемма и ее производные, в том числе парамуральные тела, и внеклеточные гидролазы, локализованные в клеточной стенке и в пространстве между стенкой и плазмалеммой.