Как световые рецепторы передают сигнал: открыт ключевой белок-курьер

Для растения свет — это жизнь. Он управляет всем: от фотосинтеза до роста и размножения. Однако цепочка молекулярных событий, позволяющая световым сигналам контролировать активность генов и, в конечном итоге, архитектуру растения, долгое время оставалась неизученной. Исследователи из Института биологических исследований Солка и Университета Дьюка идентифицировали белок-курьер, который передает сигнал на изменение паттерна экспрессии генов после активации фоторецепторов светом.

«Свет — это, вероятно, самый важный экологический сигнал для растения», — говорит профессор Джоанн Чори. Понимание того, как световая сигнализация запускает морфологические изменения, окажет большое влияние на все аспекты биологии растений.

Поскольку растения так зависят от света, они эволюционировали ряд различных фоторецепторов, определяемых цветом поглощаемого света. Например, фитохромы, поглощающие в красно-дальнекрасном диапазоне, помогают растению чувствовать присутствие соседей, обнаруживая изменения в цвете света. Эта информация направляет ресурсы роста на удлинение стебля, а не на увеличение урожайных частей (листьев и семян) в условиях низкой освещенности или конкуренции.

Ученые долгое время использовали длину гипокотиля (зародышевого стебля) для количественной оценки реакции растения на свет, но механизмы самых ранних сигнальных событий фитохрома оставались неясными.

Известно, что свет напрямую регулирует перемещение фитохрома A (PHYA) и фитохрома B (PHYB) из цитоплазмы в ядро, где они собираются в особые структуры — ядерные тельца фитохрома. Менг Чен, первый автор исследования, идентифицировал новый ген HEMERA (названный в честь греческой богини дня), наблюдая, что PHYB не может формировать крупные ядерные тельца в его отсутствие.

Когда HEMERA отсутствовал, растения не могли реагировать на свет и вырастали в длинные, альбиносные проростки, которые погибали, не успев зацвести.

Исследователи обнаружили, что в мутантах hemera ключевые белки, которые должны разрушаться в клетках, реагирующих на свет, оставались нетронутыми. Это заставляло проросток «думать», что он все еще в темноте. HEMERA структурно похож на дрожжевой белок RAD23, который доставляет помеченные на разрушение белки к клеточной «свалке». Таким образом, ядерные тельца, по-видимому, являются местами, куда отправляются ключевые регуляторные белки для деградации.

Но HEMERA выполняет и другую функцию: он также проникает в хлоропласты — органеллы, содержащие хлорофилл и ответственные за фотосинтез. Это может объяснять бледный вид мутантов hemera.

«Люди давно знали, что одна из функций света — запускать дифференцировку хлоропластов после того, как проростки появляются из земли. Но никто не знал, что является триггером», — говорит Чен.

Хотя хлоропласты содержат собственный небольшой геном, большинство белков, необходимых для их созревания, кодируются в ядре и должны быть доставлены к месту назначения. Для обеспечения правильной дифференцировки хлоропластов экспрессия генов в ядре должна быть скоординирована с экспрессией в хлоропласте.

«Белок, который перемещается в обе органеллы, может служить простым и элегантным решением для обеспечения скоординированной активности генов в обоих местах», — говорит Чори. «Хотя мы не знаем, что именно HEMERA делает в хлоропласте, его присутствие и в ядре, и в хлоропласте гарантирует, что проросток будет иметь быструю и адекватную реакцию на свет, когда он появится из почвы».

Исследование опубликовано 25 июня в журнале Cell.