Ионный канал чувствует набухание клеток и помогает им выбрать ответ
После засухи дождливый день может ощущаться освежающе. Но для растений ливень может означать неприятности. Столкнувшись с внезапным притоком воды в ткани, растение должно контролировать объем своих клеток, иначе они рискуют лопнуть.
Новое исследование из Вашингтонского университета в Сент-Луисе дает ключи к пониманию того, как механочувствительные ионные каналы в клетках растений реагируют на набухание, индуцируя гибель клеток — возможно, чтобы защитить остальное растение.
«Ответ растения на набухание клеток изучается давно, и о сигнальных событиях известно многое. Однако сенсор, который изначально обнаруживает набухание клеток, был неизвестен», — сказала Лиз Хасвелл, профессор биологии.
Открытие, о котором сообщили Хасвелл и Дебарати Басу, научный сотрудник постдокторантуры в лаборатории Хасвелл, в выпуске Current Biology от 11 июня, дает представление о том, как растения воспринимают и реагируют на механические сигналы, такие как набухание клеток, а не на химические сигналы, такие как питательные вещества или факторы роста.
Клетки растений вооружены прочной, но гибкой внешней клеточной стенкой, которая сдерживает силу давления воды изнутри клетки. Не имея скелета, растения поддерживают свою форму только за счет давления воды и целлюлозы. Без этого давления они становятся вялыми. Но когда давление, направленное наружу — тургорное давление — становится слишком большим, клетка набухает и возникает дисбаланс.
У растений задокументировано, что набухание клеток приводит к выбросу кальция в цитоплазму клетки и накоплению активных форм кислорода — нестабильных молекул, содержащих кислород, которые могут привести к гибели клеток. По мере того как клетка реагирует на набухание, определенные гены включаются или выключаются.
Но сенсор, который обнаруживает набухание клеток, был неизвестен.
Между внешней клеточной стенкой и внутренним содержимым клетки находится плазматическая мембрана. В нее встроены механочувствительные ионные каналы, или туннели, которые высвобождают ионы в ответ на растяжение мембраны. Механочувствительный ионный канал 10 (MSL10) — один из членов семейства механочувствительных ионных каналов, на котором сосредоточена лаборатория Хасвелл.
Басу применила химическое вещество, которое заставляло клеточную стенку терять прочность и становиться мягкой. Одновременно она могла увеличить тургорное давление внутри клетки и изучить роль MSL10 в начальных этапах реакции на набухание клеток.
Клетки растений с мутацией, делающей MSL10 сверхактивным, реагировали на набухание клеток аналогично клеткам дикого типа — происходил выброс кальция, образование активных форм кислорода и изменение экспрессии генов. Однако реакция была более выраженной и отсутствовала, когда в клетках растений не было MSL10.
Басу и Хасвелл обнаружили, что MSL10 не только переносчик ионов, но и первичный сенсор набухания клеток.
«MSL10 — это ионный канал, поэтому возникает соблазн думать, что он сам транспортирует кальций. Это может быть не так, — объяснила Басу. — Наши результаты предполагают возможность, что MSL10 чувствует набухание клетки и активирует другой канал, который затем транспортирует кальций».
По мере набухания клетки клеточная стенка не могла сдерживать силу тургорного давления. Но клетка не взрывалась. Вместо этого она умирала. Но только растения с функциональным MSL10 погибали. В растениях, лишенных MSL10, гибели удавалось избежать.
«Это может показаться нелогичным, — сказала Хасвелл. — Почему MSL10 необходим для гибели клеток — можно было бы ожидать, что он спасает клетки во время набухания, а не наоборот. Ключ в том, что клетки умирали не обычной смертью, они подвергались запрограммированной гибели клеток».
Басу обнаружила, что MSL10 активирует запрограммированную гибель клеток — регуляторный механизм, исходящий изнутри клетки. Само повреждение клетки не вызывало смерти; MSL10 запускал программу клеточного самоубийства.
Почему растение запускает самоубийство клеток в ответ на набухание, все еще остается загадкой. Но у Басу и Хасвелл есть интригующие гипотезы.
«Плазматическая мембрана, вероятно, была повреждена. Возможно, растение хочет вернуть часть этого материала и снова включить его в состав растения через этот регулируемый процесс», — предположила Басу.
Или, возможно, эти поврежденные клетки более восприимчивы к инфекции, и растение совершает клеточное самоубийство как способ спасти растение ценой гибели нескольких клеток.
«Мы уже знаем, что когда патоген заражает растение, растение убивает часть зараженных клеток, чтобы предотвратить распространение инфекции, — сказала Хасвелл. — Эта идея клеточного самоубийства в ответ на механические стимулы интригует».