Гены и белки, отвечающие за холодоустойчивость
Благодаря различным транскриптомным исследованиям стало возможным выявления большого спектра генов, экспрессия которых меняется в ответ на стрессовые воздействия (Seki et al., 2001; Chen et al., 2002; Fowler, Thomashow5 2002; Kreps et al.5 2002; Seki et al.5 2002).
У арабидопсиса удалось идентифицировать ряд генов, экспрессия которых повышается в ответ на низкие температуры. К ним относятся такие гены, как COR (cold-regulated), LTI (low-temperature induced), CIN (cold-induced), RD (responsive to dehydration) и ERD (early responsive to dehydration). Под влиянием холода уровень транскрипции этих генов у растений возрастает в течение нескольких часов и остается на высоком уровне в течение всего холодового воздействия. После помещения растений в оптимальные температурные условия уровень экспрессии «холодовых» генов возвращается к исходному уровню (Van Buskirk, Thomashow5 2006). Следует отметить, что специфичные ответы на холод требуют экспрессии нескольких генов, вовлеченных в определенные для индивидуальных стрессовых воздействий процессы (Fowler, Thomashow5 2002; Kreps et al., 2002).Индукция гена LTI используется, как маркер конечной точки пути трансдукции холодового сигнала. Обнаружено, что этот ген экспрессируется при очень коротких воздействиях низких температур (Knight et al., 1996; Henriksson5 Trewavas5 2003). Изменение экспрессии генов LTI в ответ на холод играет важную роль для подготовки растения к последующему воздействию заморозков. Было показано, что индукция экспрессии LTI78 регулируется факторами транскрипции DREB1∕CBF (degydratation responsive element binding protein∕C-repeat binding factor), а индукция генов, кодирующих синтез DREB1/CBF, в свою очередь, регулируется низкими температурами (Gilmour et al., 1998; Liu et al., 1998; Shinwari et al., 1998).
Возможно, что изменение температуры достаточно для изменения способности CBF/DREB1 белков активировать экспрессию генов LTI (Kanaya et al., 1999). CBF также контролируют экспрессию генов кодирующих такие белки холодоустойчивости, как CORl 5а и синтез одного из ферментов, вовлеченных в регулирование уровня пролина (P5CS2) (Buskirk, Thomashow5 2006).Факторы транскрипции CBF впервые идентифицировали Guy и др. (1985) на шпинате и установили, что CBF влияют на изменение экспрессии /,77-генов при воздействии холода. Вскоре подобные исследования были проведены и на других растениях, в том числе и на арабидопсисе (Thomashow, 1999). У арабидопсиса были найдены CBF/DREB1 белки, которые связываются с промотором регулируемых холодом генов, содержащих специфическую последовательность нуклеотидов, называемую С-повторами (CRT) или LTRE-боксом (low temperature response element) (Stockinger, Gilmour, Thomashow, 1997; Liu et al., 1998; Sakuma et al., 2002). Существует предположение, что при нормальной температуре CBFl (DREBlB) связывается с CRT/LTRE элементом промотора целевого гена и подавляет его активность. Под воздействием холода происходит модификация CBFl и активация транскрипции (Kanaya et al., 1999). Помимо CBF, к транскрипционным факторам, которые также способны влиять на экспрессию «холодовых» генов относятся такие белки, как RAV2.1, RAV2.6, RAVl и ZAT12 (Fowler, Thomashow, 2002; Hiratsu et al., 2002; Buskirk, Thomashow, 2006).
LEA-белки. Многие гены, экспрессия которых меняется на холоду кодируют так называемые LEA-белки (late embryogenesis abundant) (Wisniewski et al., 2003). Так, например, у тополя была зарегистрирована активация экспрессии гена, кодирующего синтез LEA-белка с молекулярной массой 10 kDa при воздействии холода (Renaut et al., 2004). Впервые накопление LEA-белков было обнаружено в зародышах на поздних стадиях эмбриогенеза (Dure, 1993). Впоследствии, было показано, что они также накапливаются в растительных тканях под воздействием низких температур, осмотического стресса и абсцизовой кислоты (Wise, Tunnacliffe, 2004).
Для различных групп белков LEA-белки также могут выполнять функции молекулярных шаперонов, связываться с ДНК и участвовать в ее репарации, а также оии являются структурными компонентами цитоскелета (Wise, Tunnacliffe, 2004).К одному из подклассов белков LEA относятся глицин-богатые белки теплоустойчивости дегидрины (DHN - dehydrins). Синтез дегидринов индуцируется такими стрессовыми факторами, которые приводят к обезвоживанию организма - засухой, засолением, низкими температурами (Close, 1996). Предполагается, что DHN стабилизируют клеточную мембрану и защищают мембранные белки при дегидратации (Close, 1996; Allagulova et al., 2003). Дегидрины накапливаются при воздействии холода, как у травянистых (арабидопсис), так и у древесных (персик) растений (Kawamura, Uemura, 2003; Renaut et al., 2004; Wisniewski et al., 2004).
Белки теплового шока (БТШ) (HSP, high temperature sensitive proteins) являются группой белков, синтезируемых в растениях при воздействии высоких температур (Vierling, 1991). Однако БТШ могут также индуцироваться низкими температурами и другими стрессовыми факторами, например, засухой, засолением и при затоплении растений (Sabehat et al., 1998). Эти белки также известны как «молекулярные шапероны, индуцируемые при стрессе» (Miemyk, 1997). Их накопление в ответ на многие стрессовые факторы окружающей среды не удивительно, поскольку эти воздействия могут часто вызывать дисфункцию белков. БТШ вовлечены в такие процессы, как трансляция, транслокация органелл, восстановление конфигурации денатурированных стрессовым воздействием белков и защита мембранных белков.
При низких температурах происходит накопление БТШ90, БТШ70, а также БТШ с небольшими молекулярными массами (Krishna et al., 1995; Wisniewski et al., 1996; Lopez-Matas et al., 2004). Эти результаты были получены с использованием 2D электрофореза, где было обнаружено, что в ответ на воздействие низких температур происходит накопление БТШ90, БТШ70, БТШ60, а также БТШ с молекулярными массами 22 и 20 kDa (Bae et al., 2003; Kawamura, Uemura, 2003; Renaut et al., 2004; Taylor et al., 2005).
PR белки. В ответ на патогенную инфекцию, абиотические стрессовые факторы окружающей среды, химические воздействия и ранения в растениях экспрессируются гены, кодирующие PR (pathogen-responsive) белки (Van Loon, 1997). В настоящее время идентифицировано четырнадцать групп PR белков, часть из которых чувствительны к низкой температуре: PR-2 (В-1,3-глюканазы), PR-3, PR- 4, PR-8, PR-Il (хитиназы), PR-5 (тауматин подобные белки), PR-IO (гомологи Bet γ- 1) и PR-14 (белки-переносчики липидов) (Hincha et al., 1997; Yeh et al., 2000; Kuwabara et al., 2002; Hincha et al., 2003; Liu et al., 2003; Griffith, Yaish, 2004). Например, у персика были идентифицированы различные PR белки (глюканазы, тауматин-подобные белки, семейство белков PR-10), которые появлялись в ответ на низкие температуры (Renaut et al., 2004).
Белки холодового шока. Белки COR (cold regulation) приводят к изменениям метаболизма при воздействии низкой температуры и связаны с акклиматизацией растений к холоду (Browse, Xin, 2001). У цианобактерий при воздействии холода возрастает экспрессия гена RbpA (RNA-binding protein), кодирующего PHK- связанный белок, гена NdhD2 (NADH dehydrogenase), кодирующего субъединицу 4 NADH дегидрогеназы, гена CrhR, кодирующего ATP-зависимую PHK хеликазу, гена Fus, кодирующего фактор EF-G элонгации трансляции, гена FeoB (ferrous iron), кодирующего железо транспортный белок, гена InfB, кодирующего фактор IF-2 инициирования трансляции (Murata, Los, 2006). Показано также, что низкотемпературный стресс вызывает экспрессию гена Kinl (kinasel) (Kjiight et al., 1996).
Известно, что холод стимулирует клеточное обезвоживание, которое по существу является идентичным гиперосмотическому стрессовому воздействию (Mikami et al., 2002). Совместное действие этих двух видов сгрессоров (холод и обезвоживание) вызывает экспрессию генов, кодирующих белки, индуцируемые дальным красным светом (HliA, HliB, и HliC — high light-inducible), редкий липопротеин A (RlpA - rare Iipoprotein А), сигма фактор (SigD - sigma factor).
1.3.7.