Изучены ферменты, помогающие пшенице бороться с грибками
Учёные из Первого МГМУ им. И.М. Сеченова совместно с российскими коллегами исследовали реакцию растений пшеницы на повреждения, вызванные патогенными грибами. Они изучили активацию ферментов, участвующих в гибели клеток, индуцированной в ответ на инфекцию. Результаты исследования и классификация ферментов опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Устойчивость растений к патогенам во многом определяется набором ферментов, закодированных в ДНК, которые участвуют в гибели инфицированных клеток и предотвращают распространение инфекции. Такие ферменты, обеспечивающие расщепление белков, называются протеазами.
Несмотря на важность пшеницы, её реакция на патогены описана лишь в общих чертах, без фокуса на конкретных белках. Сложность изучения связана с полиплоидностью пшеницы: каждая клетка имеет несколько наборов хромосом. Геном культурной пшеницы (Tríticum aestívum) сложен и содержит 107 000 генов — почти в пять раз больше, чем геном человека.
Для исследования использовали два патогена: биотрофный (Puccinia recondita, вызывает бурую ржавчину листьев) и некротрофный (Stagonospora nodorum, повреждает листья, колосья и зёрна). Учёные изучили влияние инфекции на сорта пшеницы «Хакасская» и «Дария» с помощью метода, сочетающего жидкостную хроматографию и масс-спектрометрию.
Всего было обнаружено 1544 фермента, относящихся к пяти каталитическим типам протеаз: сериновые, цистеиновые, аспартатные, треониновые и металлопротеазы. Доля протеаз, общих для разных сортов растений, оказалась ниже ожидаемой (60% против 79,3%). Однако различия (40%) почти поровну распределены между несколькими типами протеаз, что указывает на возможность их взаимозаменяемости.
Изучение протеаз помогло предсказать специфические сайты в их структурах. Гидролиз в таких регионах может активироваться в ходе протеолитических каскадов — цепных реакций, позволяющих организму быстро активировать множество ферментов для борьбы с инфекцией.
Ключевой вывод: активация протеаз в инфицированных растениях не затрагивает ферменты с каспазо-подобной или метакаспазо-подобной активностью, хотя ранее предполагалось, что именно они инициируют каскад, ведущий к гибели клеток. Это указывает на участие других уникальных протеаз в раннем ответе пшеницы на инфекцию.
Детальное изучение позволило уточнить классификацию ферментов: описаны гомологи для ферментов нескольких групп и их положение в филогенетическом дереве. Например, выяснилось, что аспартатные протеазы разных типов могут не быть родственными, а приобрели сходные функции независимо.
Исследование также прояснило представления о механизмах запуска гибели клеток у растений. Хотя у растений нет каспаз — ключевых регуляторов апоптоза у животных, — у них есть ферменты с каспазо-подобной активностью. Однако работа показала, что среди активаторов гибели клеток у пшеницы присутствуют ферменты без такой активности, что подтверждает существование разных механизмов программируемой клеточной смерти у эукариот.