Фитоиммунология — Гены устойчивости и кодируемые ими белки


Взаимодействие «ген-на-ген». Гены устойчивости и кодируемые ими белки

 

Гены, кодирующие детерминанты эффектор–индуцируемого иммунитета называют генами устойчивости. Специализированные эффекторы патогена, которые распознаются продуктами генов устойчивости, называют также белками авирулентности. Соответственно, кодирующие эти белки гены называют генами авирулентности.

Взаимодействие белков устойчивости и белков авирулентности на генетическом уровне представляет собой взаимодействие, называемое взаимодействием «ген-на-ген». Впер­вые его выявил в 1940-х годах американский фи-топатолог Флор (Flor, 1971) для взаимодействия растений льна с возбудителем ржавчины грибом Melampsoralini. Заражая разные сорта льна раз­личными биотипами возбудителя, он обнаружил, что наблюдаемые данные хорошо объясняются предположением, что каждому гену устойчивос­ти растения, имеющему доминантный аллель ус­тойчивости, соответствует комплиментарный ген гриба, имеющий доминантный аллель авирулент­ности. Таким образом, при взаимодействии ген-на-ген устойчивость растений является специфичес­кой и индуцируется тогда, когда продукты генов устойчивости растительного организма распозна­ют продукты генов, определяющих авирулент­ность фитопатогена. В дальнейшем это предполо­жение было подтверждено для многих других патосистем, включающих самых различных растений-хозяев и патогенов, представленных вирусами, бактериями, грибами, нематодами, насекомыми и даже цветковыми растениями.

Как очевидно, в рамках современных представлений взаимодействие «ген-на-ген» – это специфическое взаимодействие эффекторов вирулентности патогена и белков устойчивости растений.

Гены R кодируют сравнительно небольшое число типов белков с общими консервативными аминокислотными мотивами. В число таких общих структурных тем входят сайт связывания нуклеотидов (nucleotide-binding site, NBS), обогащенный лейцином повтор (leucine-rich repeat, LRR), область с гомологией цитоплазматическим доменам рецепторного белка Toll Drosophila и рецептора интерлейкина-1 млекопитающих (Toll/Interleukin-1 resistance, TIR), суперспиральная структура (coiled–coil structure, СС), трансмембранный домен (transmembrane domain, TM) и домен серин/треонин–специфической протеинкиназы (serine/threonine protein kinase domain, PK).

Основное количество генов устойчивости растений кодируют внутриклеточные белки, имеющие домены NBS и LRR. Сайты связывания нуклеотидов (NBS) присутствуют в многочисленных АТФ– и ГТФ–связывающих белках и найдены у членов многих белковых семейств. Домены NBS белков-продуктов генов устойчивости растений характеризуются несколькими высоко консервативными аминокислотными мотивами, включая связывающую фосфат петлю (P-петлю) и киназные сайты.

В сторону карбоксильного конца по отношению к сайту связывания нуклеотидов, белки R этого класса имеют область обогащенных лейцином повторов (LRR). Этот домен состоит из неполных повторов, содержащих 23 или 24 аминокислоты, порядок расположения которых выявляет хорошее соответствие консенсусу цитоплазматического LRR: Лей-x-x-Лей-x-x-Лей-x-x-Лей-x-Лей-x-x-(Асн/Цис/Тре)-x-(x)-Лей-х-х-Иле-Про-x-x. Фактическое число повторов варьирует как между разными генами устойчивости, так и между членами одного генного семейства, и в типичном случае составляет от 10 до 40.

Класс NBS-LRR можно разделить на два подкласса в зависимости от структурной особенности NH2-терминальной области белков. Многие члены NBS-LRR класса генов устойчивости кодируют аминотерминальные домены с гомологией цитоплазматическим областям рецепторного белка Toll Drosophila и рецептора интерлейкина-1 млекопитающих. Этот домен белков R был обозначен как TIR.

Для членов другого подкласса характерным является формирование на аминном конце суперспиральной структуры (CC), которая представляет собой содержащие от двух до пяти спиралей узлы, имеющие специфическую упаковку аминокислот на поверхности раздела спираль–спираль. Вероятно, группа CC-NB-LRR генов охватывает множество субсемейств, варьирующих по размеру и локализации суперспирального домена. Ряд генов этого же подкласса кодируют белки, не имеющие определенного домена на аминотерминальном конце.

В 2002 году, в результате анализа генома растений арабидопсиса экотипа Col-0, были выявлены два новых семейства TIR-кодирующих генов и, соответственно, их белковых продуктов. У семейства TIR-X отсутствует домены NBS и LRR, а у семейства TIR-NBS отсутствует домен LRR. У данного экотипа арабидопсиса было выявлено 27 генов и три псевдогена семейства TIR-X и 20 генов и один псевдоген семейства TIR-NBS. Показано, что 85% генов TIR-X и 40% генов TIR-NBS постоянно экспрессируются в растениях на невысоком уровне. Присутствие обеих семейств генов TIR продемонстрировано также у хвойных растений. Вероятно, эти гены кодируют не функциональные белки, а являются попросту продуктами деградации или делеций TIR-NBS-LRR генов. Эти гены также могут кодировать аналоги адаптерных небольших TIR-белков, которые функционируют в системе врожденного иммунитета млекопитающих.

Кроме этого, в том же 2002 году клонирование гена устойчивости арабидопсиса RRS1-R, который обуславливает устойчивость к Ralstonia solanacearum, выявило, что этот TIR-NBS-LRR ген на карбоксильном конце содержит потенциальный сигнал ядерной локализации и домен WRKY. Этот консервативный домен, состоящий из 60 аминокислот, характерен для факторов транскрипции, найден только у растений и задействован во многих биологических процессах. Таким образом, вероятно, белок–продукт данного гена выполняет свою функцию в ядре клетки растения, являясь потенциальным фактором транскрипции.

Весьма интригующим оказался факт, что сайт связывания нуклеотидов R-белков растений имеет наибольшее подобие доменам NBS эффекторов ги­бели клетки белков CED-4 нематод и Apaf-1 млеко­питающих, которые активируют вовлеченные в апоптоз протеазы CED-3 и caspase-9 соответст­венно. Подчеркивая эту гомоло­гию, домен NBS белков растений часто называют доменом NB-ARC (чтобы выдвинуть на первый план разделяемые подобия этой области с чело­веческим Apaf-1, R-белками растений и белками CED-4 нематод). Одной общей, хотя и не строго универсальной, особенностью функции NBS-LRR-белков растений является сверхчувствительная гибель клетки в участке за­ражения в течение реакций устойчивости. Функ­циональное подобие между этим ответом и апоптозом животных и структурное подобие доменов NBS у R-белков растений и бел­ков CED-4 и Apaf-1 является поразительным.

Удивительным является также структурное по­добие между внутриклеточными NBS-LRR-белками растений и внутриклеточными NBS-LRR-белками млекопитающих (белками Nod). В геноме че­ловека имеется около 30 генов Nod, продукты которых, вероятно, играют роль во врожденном иммунитете как внутриклеточные рецепторы, обусловливающие распознавание консервативных лигандов микробных патогенов типа липополисахаридов бактерий, то есть по сути являются MAMPs-рецепторами. У человека белки Nod опосредованно активируют фактор транскрипции NF-κΒ.

В 2001 году были обнаружены гены устойчивости, кодирующие белки, состоящие только из трансмембранного и суперспирального доменов. В этом клессе генов устойчивости пока известен только единственный локус RPW8 Arabidopsis, обуславливаю­щий широкий спектр устойчивости к мучнистой росе (возбудители Erysiphe cichoracearum, E. cruciferarum, E. orontii и Oidium lycopersici). Этот локус содержит два доминантных гена, RPW8.1 и RPW8.2, имеющих только 50%-ную идентичность аминокислот. Каждый из них обуславли­вает широкий спектр устойчивости и кодирует небольшой, вероятно «заякорен­ный» в мембране белок с предполагаемыми суперспиральным и трансмембранным доменами и отсутствующей гомологией к другим известным белкам.

Другие классы генов устойчивости растений кодируют белки с внеклеточными регионами обогащенных лейцином повторов. Эти регионы либо связаны с внутриклеточным доменом протеинкиназы (такая структура генов устойчивости полностью соответствует рецептору флагеллина FLS2), либо не имеют внутриклеточного домена с известной функцией.

Белки, кодируемые генами устойчивости, являются рецепторами, которые непосредственно либо опосредованно распознают присутствие эффекторных белков патогенов в растительной клетке или в апопласте. Эффектор патогена, который распознается белками устойчивости, называют белком авирулентности. Далее запускаются реакции иммунитета, индуцируемого эффекторами патогенов. Как считается, эта форма иммунитета является более быстрой и более сильной версией иммунитета, индуцируемого ассоциированными с микробами молекулярными структурами. Однако качественных различий между этими формами иммунитета нет; рассмотренные выше реакции устойчивости растений наблюдаются и в одном, и в другом случаях.

Каким образом белки устойчивости обнаруживают присутствие в растительной клетке эффекторные белки патогенов? В некоторых случаях предполагается непосредственное взаимодействие белков устойчивости и авирулентности в цитоплазме растительной клетки; имеются также экспериментальные доказательства такого утверждения. В подобных случаях взаимодействие проходит по типу рецептор–­лиганд, где рецептором служит белок устойчивости, а лигандом – белок авирулентности.

Во многих случаях, однако, непосредственного взаимодействия белков устойчивости и эффекторных белков патогена продемонстрировать не удалось. Альтернативной моделью является так называемая «гипотеза стража» (“guard hypothesis”), в соответствии с которой белки устойчивости являются «стражами» других белков растения ­– мишеней эффекторов вирулентности фитопатогенных организмов. В данном случае белок устойчивости обнаруживает не присутствие белка авирулентности как такового, а выявляет результат воздействия эффектора на мишень и, выявив изменение этой мишени, запускает реакции устойчивости. Например, в патосистеме арабидопсис–бактерия P. syringaeэффекторный белок AvrPphB бактерии является протеинкиназой и разрушает одну из протеинкиназ растения. Белок устойчивости хозяина RPS5 распознает продукты этого расщепления и запускает реакции устойчивости.

Итак, белок устойчивости растения прямо или косвенно распознает наличие или активность белка-эфектора фитопатогенного организма, и запускает реакции устойчивости. Как эти реакции запускаются? Пока еще во многом этот процесс остается непонятным; относительно путей передачи сигналов имеются только предварительные сведения, которые пока еще невозможно свести к сколько-нибудь полному обобщению. Некоторая информация по данному вопросу имеется в рекомендуемых для данного курса статьях.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *