Новая теория гетерозиса. Концепция аллельного и неаллельного механизма возникновения гетерозиса

ВЗАИМОСВЯЗЬ СИГНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕНОВ ПРИ НАСЛЕДОВАНИИ ПРИЗНАКОВ

1.1. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, В КОТОРЫХ ФУНКЦИЮ СЕНСОРА ДЛЯ ЦИТОКИНИНОВ И ЭТИЛЕНА ВЫПОЛНЯЮТ РЕЦЕПТОРНЫЕ ГИСТИДИНКИНАЗЫ

В последние годы благодаря стремительно развивающимся исследованиям молекулярных механизмов регуляции экспрессии генов становится все более ясным, что проблема механизма взаимодействия генов тесно связана с сигнальной системой клеток (Хаблак, Парий, 2013; Инге-Вечтомов, 2000). В клетках растений было обнаружено существование сигнальных цепей, которые с помощью специальных белков-рецепторов, в большинстве случаев расположенных в плазмалемме, воспринимают сигнальные импульсы, преобразуют, усиливают и передают их в геном клетки, вызывая репрограммирование экспрессии генов и изменения в обмене веществ (в том числе кординальные), связанные с включением ранее «молчавших» и выключением некоторых активных генов (Тарчевский, 2002).

В последнее десятилетие идут по нарастающей достижения в области изучения генома растений, выделения генов, ответственных за определенные этапы роста, развития, старения растений, их ответа на стрессовые воздействия и патогены. Выделены гены, контролирующие регуляторные системы растений, начиная от рецепторных белков и кончая генами факторов, определяющих включение определенных генетических программ (Кулаева, 2000).

В настоящее время интенсивно исследуются МАР-киназная, аденилатциказная, фосфатидатная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-оксидазная, NO-синтазная и протонная сигнальные системы и их роль в онтогенетическом развитии растений (Тарчевский, 2002).

За последние годы достигнут значительный прогресс в изучении хемосигнальных систем растений, через посредство которых фитогормоны осуществляют регуляцию широкого спектра биохимических и физиологических процессов в растительной клетке (Шпаков, 2009).

В последнее время становится все более понятным, что процесс морфогенеза – результат функционирования многих генов, которые могут взаимодействовать разным образом или действовать независимо. Работа многих генов контролируется внешними и внутренними сигналами, среди которых важнейшими являются фитогормональные. Действие фитогормонов, их способность регулировать экспрессию генов опосредована функционированием сигнальных путей. Гены, кодирующие компоненты сигнальных путей, также находятся под сложным генетическим контролем растения в соответствии с внешними и внутренними условиями. Синтез самих фитогормонов, которые запускают сигнальные пути, также регулируется многими генами (Циганкова и др., 2005).

Большую роль в раскрытии функций фитогормонов сыграло изучение взаимодействия между генной и гормональной регуляцией роста у карликовых мутантов различных видов растений (Муромцев, Агнистикова, 1973; Чайлахян и др., 1977). Показано, что возможность образования каждого из фитогормонов регулируется экспрессией определенных генов (Кулаева, 1978; Шпаков, 2009).

К настоящему времени определены некоторые ключевые гены, содержащие промоторы, чувствительные и специфические к фитогормонам, свету и другим факторам, и контролирующие многие важные процессы и этапы жизнедеятельности растений (фотосинтез, фотоморфогенез, формирование листьев, цветков, азотфиксация, эмбриогенез, старение и так далее) (Шестаков, 1998; Инге-Вечтомов, 2000).

Достигнуты успехи в изучении путей биосинтеза некоторых классов фитогормонов, механизма их действия на молекулярном уровне (McCourt, 1999; Kevin et al., 2002; Новикова и др., 2009; Романов, 2009). С помощью молекулярно-генетических методов определены отдельные гены, контролирующие регуляторные белки-ферменты, участвующие в каскадном механизме регуляции этапов синтеза фитогормонов (Романов, Медведев, 2006; Шемаров, 2006).

Частично изучены пути передачи сигналов от фитогормонов по цепи: рецепторы – вторичные мессенджеры – специфические гены. В общих чертах исследованы механизмы сигнальных взаимодействий между разными классами фитогормонов и установлена их физиологическая роль в регуляции онтогенетических стадий развития растений (как эмбриональной, так и постэмбриональной). Раскрыто участие фитогормонов в фотоморфогенетических процессах, в повышении устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды и к патогенам (Цыганкова и др., 2005).

За последнее время накоплено много экспериментальных данных об молекулярных принципах биологического ответа, которые позволяют по новому подойти к пониманию механизма, посредством которого происходит взаимодействие генов при наследовании признаков.

Как известно, для восприятия генерируемых фитогормонами сигналов и их преобразования в конечный ответ клетки растения используют различные по своей структурно-функциональной организации хемосигнальные системы (Шпаков, 2009). В настоящее время у растений хорошо исследованы двухкомпонентные сигнальные системы, в которых функцию сенсора выполняют как рецепторные гистидинкиназы, так и серин-треониновые потеинкиназы. Через посредство рецепторных гистидинкиназ свои регуляторные эффекты реализуют этилен и цитокинины. У и риса () выявлено три семейства рецепторных гистидинкиназ, первое из которых включает в себя рецепторы этилена, второе – фоторецепторы, в то время как третье объединяет гистидинкиназы АНК-семейства, включающие в себя цитокининовые рецепторы и осмосенсорные гистидинкиназы (Нwang et al., 2002). A. thaliana Oryza sativa

Исследования последних лет ознаменовали значительный прогресс в понимании процессов сигнализации и биосинтеза цитокининов. Эти достижения стали возможны благодаря полной расшифровке первого растительного генома (у) и получению мутантов с подавленными эффектами цитокининов (Романов, 2008). Молекулярно-генетические и физиологические исследования этих мутантов позволило изолировать и секвенировать у арабидопсиса гены биосинтеза (), инактивации и сигнализации фитогормонов этого класса (,и) (Nishimura et al., 2004)  Arabidopsis thaliana AtIPT1 – AtIPT9 AHK2 AHK3  AHK4/CRE1 .

Сравнительно недавно у арабидопсиса было найдено три гена (, и ), кодирующих сенсорные гистидинкиназы AНK2, AНK3 и CRE1//AНK4, которые являются мембранными рецепторами цитокининов (Riefler et al., 2006). Мутации и в этих генахобусловливают у растений инактивирование функций мембранных рецепторовгистидинкиназ AНK2, AНK3 и CRE1//AНK4. В результате чего у мутантных растений арабидопсиса снижается чувствительность клеток к цитокининам и гены первичного ответа перестают отзываться на эти гормоны (Higuchi et al., 2004). AНK2 AНK3 CRE1/WOL1/AНK4 WOL1 ahk2—5, ahk3—7  wol-1  WOL1

Созданные двойные и тройные мутанты по генам рецепторов цитокининов (и) позволили уточнить роль отдельных рецепторов для тех или иных физиологических процессов. В результате в ходе развития растения был выявлен ряд новых регулируемых цитокинином процессов (Романов, 2008). AHK2, AHK3  AHK4/CRE1

Т. Мицуно с сотрудниками доказали, что сенсорные гистидинкиназы AНK2, AНK3 и CRE1//AНK4 являются рецепторами цитокининов. В результате изящно спланированных и осуществленных экспериментов получены неопровержимые доказательства участия в передаче цитокининового сигнала мембранных рецепторов AНK2, AНK3 и CRE1//AНK4 и других белков, имеющих отношение к биокомпонентной регуляторной системе, в частности, RR белков В-типа, обладающих функцией транскрипционных факторов (Suzuki et al., 2001). WOL1 A. thaliana WOL1

В лабораториях Дж. Кибера (США) и Т. Сугиямы (Япония) у арабидопсиса и кукурузы были обнаружены гены, напрямую активирующиеся цитокинином. Одним из первых обнаруженных цитокинин-чувствительных генов был ген так называемого регулятора ответа, получивший название (Taniguchi et al., 1998). ARR5

В настоящее время считается общепринятым, что содержит три близких по строению сенсорных гистидинкиназы – рецепторов цитокининов: CRE1/AНK4, AНK2 и AНK3. Эти рецепторные гистидинкиназы являются интегральными белками, пронизывающими плазматическую мембрану 2 (AНK4) или 3 (AНK2 и AНK3) раза (Wulfetange et al., 2011). A. thaliana

По своей структуре сенсорные гистидинкиназы относятся к белкам так называемой двухкомпонентной системы передачи сигналов. Такие системы трансдукции сигналов основательно изучены у бактерий, где они широко представлены (Pareek et al., 2006).

В своем классическом виде двухкомпонентная система состоит из сенсорной гистидинкиназы (рецептор) и регуляторного ответа (транскрипционный фактор). Под влиянием специфического сигнала рецептор димеризуется, фосфорилируется и далее передает свой «горячий» фосфат на остаток аспартата регулятора ответа. Последний обладает ДНК-связывающим доменом, с помощью которого соединяется в результате активации с определенной последовательностью ДНК в составе промотора и активирует или, наоборот, репрессирует соответствующий ген (Heyl, 2003).

Сходные по структуре рецепторы цитокининов обнаружены у эволюционно далеких от арабидопсиса видов: кукуруза и рис. У всех изученных растений рецепторы цитокининов представляют собой AНK-семейство близкородственных белков – мембранных гистидинкиназ, подобных сенсорным гистидинкиназам одноклеточных организмов. Отличаются эти белки-рецепторы между собой у разных видов растений числом трансмембранных сегментов, содействующих с CHASE-доменом (cyclase histidine kinase-assiciated sensing extracellular), который отвечает за узнавание и связывание цитокининов (Yonekura-Sakakibara et al., 2004).

Достижения последних лет позволяют лучше представить молекулярные механизмы, благодаря которым цитокинины реализуют свое физиологическое действие в растении. На примере модельного растения арабидопсиса установлено, что магистральным путем восприятия цитокининового сигнала клеткой является путь с участием мембранных гистидинкиназ как рецепторов двухкомпонентной системы для трансдукции сигналов на ограниченный спектр генов первичного ответа (Романов, 2009).

В геноме такжеобнаружено пять генов (, , , и ),кодирующих сенсорные гистидинкиназы, которые являются рецепторами для этилена. Эти генывходят в состав небольшого генного семейства белков-рецепторов этиленового сигнала (Liu et al., 2010). A. thaliana ETR1 ETR2 EIN4 ERS1 ERS2

Рецепторные гистидинкиназы ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 состоят из связывающегося этилен интегрального домена, содержащего три трансмембранных участка, а также расположенного в цитоплазме GAF-домена, ответственного за образование межмолекулярных комплексов, и гистидинкиназного домена. Белки-рецепторы ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 также имеет значительный по размеру С-концевой воспринимающий домен, который является типичным функциональным модулем в рецепторных гистидинкиназах бактерий и служит для осуществления реакции трансфосфорилирования. В рецепторах ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 гистидинкиназный домен обладает ферментативной активностью (Hua et al., 1995).

Мутациипо генам и вызывают повреждения мембранных рецепторов, через которые проявляется реакция растений на этилен. Обработка этиленом этих мутантных растений не дает типичного ответа проростков на С2Н4: у них в отличие от дикого типа не происходит прекращение роста стебля, его утолщение и подавления роста корня. Этилен не вызывает у данных мутантов активацию этиленчувствительных генов (Qu et al., 2007). ETR1, ETR2, EIN4, ERS1  ERS2

Пути восприятия этилена в растении продублированы несколькими рецепторами, поэтому получить полностью нечувствительные к нему растения достаточно трудно. Для этого необходимо, чтобы растение оказалось мутантным по 4—5 генным локусам одновременно (Moussatche, Klee, 2004).

Генетические исследования показали, что у  за рецепторными белками ERS1, ERS2, EIN4, ETR1 и ETR2в системе передачи этиленового сигнала расположен белок CTR1 (репрессор передачи сигнала), контролируемый геном , который блокирует в норме прохождение сигнала. Репрессорный белок ETR1 находится в комплексе с мембранными рецепторами ERS1, ERS2, EIN4, ETR1 и ETR2 (Yoo et al., 2008). Мутация по гену приводит к морфологическим изменениям у арабидопсиса, которые могли бы возникнуть при постоянном включении этиленовой программы. Этот белок репрессирует этиленовые программы у дикого типа (Ikeda et al., 2009). A. thaliana CTR1 ctr1—1  CTR1

Изучение первичной структуры (аминокислотной последовательности) белка CTR1 показало его принадлежность к семейству широко распространенных у эукариот серин/треониновых протеинкиназ, участвующих в так называемом МАР-киназном каскаде (МАР от англ. mitogen activated protein), в котором последовательно одна киназа фосфорилирует другую и тем самым активирует ее для фосфорилирования следующей протеинкиназы в цепи передачи сигнала на белки хроматина (Etheridge et al., 2005).

Ближайшим мессенжером в передачи этиленового сигнала внутрь ядра клетки является мембранный белок EIN2, расположенный в ядерной мембране, который кодируется геном (An et al., 2010)Предполагается, что в отсутствие этилена рецепторные гистидинкиназы, связывающие его, стимулируют CTR1-белок, представляющий собой RAF-подобную протеинкиназу, которая в активном состоянии является неактивным регулятором каскада митогенактивируемых протеинкиназ. Связывание этилена с рецепторной гистидинкиназой нарушает ее взаимодействие с CTR1-белком, что ведет к снятию ингибирующего влияния CTR1-белка на каскад митогенактивируемых протеинкиназ. В результате активируется зависимый от этого каскада EIN2-белок, локализованный в ядерной мембране, и функционально связанные с ним факторы транскрипции EIN3 и EIL1, которые регулируют экспрессию генов, определяющих ответ клетки на действие этилена (Shibuya et al., 2004). EIN2 .

Мутация в гене обусловливает у растений дефекты в ядерном мембранном белке EIN2, который воспринимает этиленовый сигнал от вторичных посредников и передает его внутрь ядра клетки к эффекторным белкам, ответственным за транскрипцию определенных генов. Это приводит у мутантных растений, в конечном счете, к подавлению генетических программ, обеспечивающих специфический ответ на этилен растений (Muday et al., 2006). EIN2

1.2. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ В СЕБЯ В КАЧЕСТВЕ СОПРЯГАЮЩЕГОСЯ КОМПОНЕНТА ГЕТЕРОТРИМЕРНЫЕ ГТФ-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ (G-БЕЛКИ)

У многоклеточных и одноклеточных эукариот широко распространены хемосигнальные системы, в которых функцию сопрягающего компонента между опознающим внешний сигнал рецептором серпантинного типа и эффекторным белком, ответственным за конечный ответ клетки, выполняет гетеротримерный G-белок. Однако еще сравнительно недавно считали, что у растений такие системы отсутствуют. Открытия последних лет заставили кардинально пересмотреть эту точку зрения. В настоящее время сопряженные с G-белками сигнальные системы и их компоненты обнаружены у нескольких видов растений. В наибольшей степени такие системы изучены у и гороха (), в геноме которых выявлены гены, кодирующие рецепторы серпантинного типа, гетеротримерные G-бели и регуляторные RGS-белки, являющиеся функциональными блоками сопряженных с G-белками сигнальных систем (Шпаков, 2009). A. thaliana Pisym sativum

В геноме обнаружены гены, которые кодируют субъединицы, формирующие молекулу гетеротримерного G-белка: одну Gα- (GPA1), одну Gβ- (AGB1) и две Gγ-субъединицы (AGG1 и AGG1). Ген контролирует альфа-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (G-белки), содержащих альфа (AtGPA1), бета (AGB1) и гамма (AGG) субъединицы. Продукт гена участвует в передаче фитогормонального сигнала с активированного гормоном рецептора к факторам транскрипции, которые регулируют экспрессию генов в растении (Ullah et al., 2002). A. thaliana GPA1 GPA1

Ген кодирует бета-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков. Белок гена выполняет функцию подавления передачи гормонального сигнала к эффекторным белкам, которые инициируют или подавляют транскрипцию определенных генов, что влечет за собой включение или выключение определенных физиологических и генетических программ развития растения (Borner et al., 2002). AGP1 AGP1

У многих растений выявлены G-белки и установлена их роль в регуляции важнейших физиологических и биохимических процессов (Chen et al., 2011). Эти данные указывают на то, что и у большинства (если не у всех) растений имеются сопряженные с G-белками сигнальные системы, активируемые фитогормонами (Шпаков, 2009).

Гетеротримерные ГТФ-связывающие белки соединены с мембранными рецепторами GPCR (англ. G protein-coupled receptors), которые в своем строении имеют 7 трансмембраннных доменов, в результате этого они получили название 7 ТМ-рецепторы (от Seven Transmembrane Receptor), семиспиральные рецепторы, или серпентины. Семиспиральные рецепторы, сопряженные с G белками, составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR рецепторы выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу. Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках эукариот: у дрожжей, растений, хоанофлагеллят и животных (Pandey, Assmann, 2004).

У также имеется более 50 генов, кодирующих белки, которые по структурной организации сходны с рецепторами серпантинного типа животных и грибов и, следовательно, могут выполнять их функции. Большинство этих белков обладают высокой гомологией по отношению к однородным рецепторам позвоночных животных. В структуре восьми из них идентифицированы участки, которые включают в себя молекулярные детерминанты, ответственные за функциональное взаимодействие с гетеротримерными G-белками (Gookin et al., 2008). A. thaliana

Первым среди рецепторов серпантинного типа у был изучен рецептор GCR1, который обладает гомологией первичной структуры по отношению как к цАМФ-рецепторам амебы (23—25% идентичности), так и к рецепторам кальцитонина и серотонина позвоночных животных (Plakidou-Dymock et al., 1998). Показано, что GCR1 взаимодействует с α-субъединицей (GPA1) гетеротримерного G-белка, причем ключевую роль в этом взаимодействии, как и в большинстве других рецепторов серпантинного типа, играют его вторая и третья цитоплазматические петли (Pandey, Assmann, 2004). A. thaliana Dictyostelium discoideum

1.3. ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ

Непосредственный контроль над развитием органов и тканей растений осуществляется транскрипционными факторами-белками, которые после перемещения в ядро клетки регулируют транскрипцию, специфически взаимодействуя с ДНК либо с другими белками, которые могут образовывать комплекс белок-ДНК. В настоящее время у арабидопсиса установлены более 1800 генов, кодирующих белки-регуляторы транскрипции, которые обычно классифицируют по строению ДНК-связывающих доменов (Медведев, Шарова, 2010). Вчастности, ген у является геном-регулятором (переключателем) развития корневой системы, который детерминирует процессы роста и дифференцировки клеток корня. Он кодирует транскрипционный фактор (белок), регулирующий активность верхушечной меристемы корня (Levesque et al., 2006). SHR1 A. thaliana

Ген контролирует генетическую программу формирования корня и его тканей, обеспечивая включение или выключение определенных генов в нужный момент развития растения. Действуя в соответствии с генетической программой или в ответ на внешние воздействия, белок SHR инициирует или подавляет транскрипцию определенных генов, что влечет за собой изменения в клеточной морфологии, клеточной дифференциации и морфогенезе корня (Welch et al., 2007). SHR1

В результате мутации гена апикальная меристема на главном корне в зоне деления теряет свою способность к активному делению и образованию новых клеток, то есть утрачивает меристематическую активность (Helariutta et al., 2000). Кроме этого, мутация  в гене приводит к потере в корне самого внутреннего слоя первичной коры – эндодермы, а также к уменьшению размеров клеток центрального цилиндра (Nakajima et al., 2001). shr-1  SHR1 shr-1 SHR1

Белок гена принадлежит к  семейству транскрипционных факторов, которое включает более 30 белков, участвующих в регуляции развития корня и побегов, в ответных реакциях на гиббереллины, в передаче фитогормонного сигнала. Кроме белка SHR (short root), к семейству транскрипционных факторов относятся такие белки, как GAI (gibberellic acid insensitive), PAT1 (phytochrome A signal transduction), RGA1 (repressor of GA1), SCR (SCARECROW) и другие (Sena et al., 2004). SHR1 GRAS GRAS

Ген () выполняет аналогичную роль в корневой системе растения, как и ген . Наряду с геном ген регулирует функционирование апикальной меристемы корня, сохраняя при этом способность инициальных клеток к активному делению и образованию новых клеток (Sabatini et al., 2003). SCARECROW1 SСR1 SHR1 SHR1 SСR1

Мутация по гену вызывает у растений в зоне деления главного корня дезорганизацию покоящегося центра и потерю меристематической активности инициальных клеток. Это приводит к истощению пролиферирующих клеток в апикальной меристеме корня и, как следствие, к прекращению роста корневой системы (Heidstra et al., 2004). Мутация  гена также влияет на развитие в корне слоя клеток коры, нарушая ее радиальное строение. Она приводит к потере в корне слоя клеток коры между эпидермисом и перициклом, которая в норме у растений состоит из таких трех частей, как экзодерма, мезодерма и эндодерма (Helariutta et al., 2000). sсr-1  SСR1 sсr-1 SСR1