Гены, участвующие в гибели клеток растений. Параноидные мутанты

Регуляторных генов некроза не описано, и это понятно — ведь гибель при некрозе для растения не запланированная, нежданная, нежеланная. При некрозе не происходит активирования какой-либо генетической программы.

Апоптоз, напротив, — результат запуска определенной генетической программы. Обнаружены многочисленные регуляторные гены апоптоза — позитивные и негативные. Эти гены могут непосредственно активировать апоптоз через индукторы, блокировать через репрессоры, изменять метаболизм растений, влиять на сигнальные молекулы, их рецепторы или непосредственно на R-гены. Области гомологии между последовательностями регуляторных генов апоптоза у животных и растений редки. Это

указывает на то, что либо у растений эволюционировали свои генетиче- 301 ские механизмы регуляции программируемой клеточной гибели, либо дивергенция генов зашла так далеко, что они уже не идентифицируются как гомологичные.
Как обсуждалось выше, апоптоз — это не только защитные отклики растения, но и естественные процессы в нормальном здоровом организме. Изучение параноидных мутантов, или мутантов «мимикрии устойчивости», позволяет дискриминировать гены апоптоза, связанные с иммунным ответом растения. Параноидные растения — это мутанты, которые при отсутствии патогена стохастически (самопроизвольно) образуют пятна, напоминающие симптомы болезни или проявление реакции сверхчувствительности. Они будто бы постоянно находятся под атакой патогена, как бы симулируют болезнь или устойчивость к ней. Часть мутаций параноидных растений, мимикрирующие пятна, картируются в локусах, которые контролируют специфическую устойчивость — сверхчувствительность. Такие мутанты имеют гистохимические и молекулярные признаки, характерные для резистентности, проявляют локальную и системную устойчивость даже к патогенам, которые обычно взаимодействуют совместимо, т. е. вызывают болезнь. Мутации могут затрагивать гены, связанные с образованием салициловой кислоты, другими сигнальными молекулами или их рецепторами. Фенотипы мутантов могут быть изменены под воздействием гормонов, световым режимом, температурой, т. е. мутации являются зависимыми от условий.
Мутанты могут быть получены в результате мутагенеза или трансгенной экспрессии, а могут появиться спонтанно. Основные механизмы возникновения спонтанных мутаций — генные конверсии, неравный кроссин- говер, транспозонный мутагенез.
Выделяют два больших класса мутаций. I класс мутаций: мутации инициации. Мутанты этого класса самопроизвольно образуют локальные, не распространяющиеся пятна вокруг клетки-мишени. Такие мутации чаще всего картируются в локусах R-генов. Их называют R-genes gone-bad, или испорченные R-гены. Лучше всего мутации инициации изучены у кукурузы: около двадцати различных мутаций класса I исследовано у этого растения. Примером является rpl мутация, которая картируется в Rpl локусе устойчивости к Puccinia sorghi. Делеция этого гена инициирует активацию определенного рецептора и тем самым запускает СВЧ в отсутствии патогена.
Этот локус очень нестабильный: для него характерна высокая частота спонтанных изменений, а именно генные конверсии и неравный крос- синговер. Rpl параноидные мутанты кукурузы проявляют устойчивость к различным видам ржавчинных грибов. II класс мутаций — мутации распространения, или пропагации. Мутанты этого класса дают широко распространяющиеся пятна, т. е. для них характерно отмирание ткани на большой площади. Такие мутации затрагивают негативные регуляторы клеточной смерти в онтогенезе или патогенезе. Рассмотрим примеры таких мутаций.

Lis (lethal leaf spot) мутация у кукурузы индуцируется эндогенным транспозоном-мутатором (Ми). Ген клонирован благодаря транспозонному мутагенезу. Фенотип мутантов зависит от освещенности и развития зрелых хлоропластов. У этих мутантов не отмечено изменения структуры митохондрий при реакции сверхчувствительности, но обнаружено набухание хлоропластов (рис. 9.3) и последующее увеличение уровня гетерохроматина, перемещение его к краям ядра, что указывает на важную роль хлоропластов в клеточной гибели //s-мутантов. Все это свидетельствует о функции хлоропластов как координационного центра гибели клеток с альтернативными по отношению к митохондриям механизмами.

У Arabidopsis — Isd (lesions simulating disease) мутация индуцирует локальную и системную устойчивость к патогенам, вирулентным по отношению к немутантным растениям. Интересно, что трансгенные lsd мутанты Arabidopsis не способны накапливать салициловую кислоту, проявляют низкую экспрессию PR-белков, однако резистентны к Peronospora parasitica.

Это указывает на существование двух самостоятельных путей транс- дукции сигнала: один ведет к гибели клеток, другой к активации PR-генов и синтезу салициловой кислоты (рис. 9.4).
Rt (root necrosis)-Myr?L\\Y№ у сои — пример того, что сверхчувствительность проявляется не только в наземных органах растений, но и в корнях.
Мутация распространения, возникнув в одной клетке, ведет к гибели обширных площадей растительных тканей. При реверсии такой мутации могут появиться автономные сектора живых клеток. Это объясняется биосоциальными явлениями на уровне клетки. Клетка-монитор собирает сигналы с большой группы клеток. Если сигнал хотя бы из одной клетки отсутствует, видоизменен или нарушен, на путь самоубийства (суицидальный путь) направляются большие группы клеток.






Исследование параноидных мутантов — один из основных подходов к изучению сигнальной трансдукции. Исследованные гены резистентности оказались участниками сигнальной трансдукции иммунного отклика растения (рис. 9.5).
Показано, что ранние события (первые 10 минут) реакции сверхчувствительности обусловлены взаимодействием элиситора (или ^vr-зависимого сигнала) с продуктом R-гена, изменением ионного состава (Са2+, калий- протонный обмен Н+/К+). Это ведет к изменению pH клетки в сторону увеличения кислотности, открываются анионные каналы (в особенности хлоридные). Выявлена роль целого ряда сигнальных молекул, G-белков, киназ, фосфатаз, фосфолипаз, продуктов перекисного окисления липидов. Часть сигналов генерирует образование активных форм кислорода (см. гл. 8). Экспериментальные данные в цепочке сигнальных событий показывают именно такую последовательность: ионные каналы — активный кислород — транскрипция генов. Последующие события — это синтез салициловой кислоты, фитоалексинов, PR-белков. Сходная, но все же самостоятельная цепь сигналов, первым из которых является узнавание продукта гена авирулент- ности продуктом гена устойчивости, ведет через изменение концентра-

ций Са2+, Н202 и активности ферментов — протеаз (см. далее), к открытию пор митохондрий, набуханию матрикса митохондрий и разворачиванию последующих событий программируемой клеточной гибели. Установлено, что ранние этапы реакции сверхчувствительности — многофункциональны (общие для апоптоза и других откликов растения на заражение), проявляются при передаче сигнала несколькими взаимосвязанными путями (рис. 9.6).
Отметим, что при некрозе происходят сходные события (закисление pH цитоплазмы, изменение проницаемости цитоплазматической мембраны и мембран органелл, изменение ионного состава, генерирование активных форм кислорода NADPH-оксидззиой системой растения), но в случае некроза эти события — результат прямого воздействия патогена (например, его токсинов или механического разрыва мембран), а не активная защита растения (см. также Выводы к разделу 9.1).
Интересно, что МШРЯ-оксидазная система растений аналогична таковой у макрофагов и нейтрофилов животных: она подавляется теми же специфическими ингибиторами, белковые компоненты систем взаимодействуют с одинаковыми иммунными сыворотками и имеют сходную молекулярную массу. Мембранные белки МШР-оксидазных систем у растений и животных содержат Са2+-улавливающие области. Это указывает на то, что оксидазные системы растений и животных регулируется Са2+. Оказалось, что существует большое число и других гомологии между специфическими доменами белков растений и животных, связанных с программируемой клеточной гибелью. Например, выявлены белки растений, подобные антиапоптозным регуляторам семейства Вс 1-2 (представитель — Вах)



Рис. 9.6. Изменения в клетке, претерпевающей программированную смерть (ПКС) (Gilchrist, 1998). Церамидный сигнальный путь — дополнительное свидетельство связи ПКС и СВЧ у растений, а также сходство ПКС животных и растений


у животных. Эти белки локализованы на митохондриальной, ядерной мембране, а у растений — и на мембране хлоропластов. Супрессия апоптоза в ответ на заражение ВТМ в трансгенных растениях табака варьировала в зависимости от уровня экспрессии Вах-гена. Эти данные свидетельствуют о наличии общих компонентов систем клеточной гибели у растений и животных. 

Еще по теме Гены, участвующие в гибели клеток растений. Параноидные мутанты:

1. 8.2.4. Гибель клеток
2. «Эгоистичная» ДНК и гены в организмах
3. 5-6. Прыгающие гены и редактирование РНК
4. Причины и меры предупреждении гибели озимых
5. Причины и меры предупреждения гибели озимых
6. ВЫЯВЛЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ, УЧАСТВУЮЩИХ В КРУГОВОРОТЕ УГЛЕРОДА
7. ГРУППЫ ПЧЕЛ, УЧАСТВУЮЩИЕ В СБОРЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ НЕКТАРА
8. ОБНАРУЖЕНИЕ И УЧЕТ МИКРООРГАНИЗМОВ, УЧАСТВУЮЩИХ В КРУГОВОРОТЕ АЗОТА
9. 8.2.2. Миграция клеток
10. 8.2.5. Дифференцировка клеток
11. Экспертиза заболеваний и гибели животных от неправильной эксплуатации.
12. 8.2.3. Сортировка клеток
13. ОБНАРУЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ, УЧАСТВУЮЩИХ В ПРЕВРАЩЕНИЯХ ФОСФОРА, СЕРЫ, ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА
14. 8.2. МЕХАНИЗМЫ ОНТОГЕНЕЗА 8.2.1. Деление клеток