Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Фитохром
3G6O.pdb.jpg
Кристаллическая структура фитохрома. [1]
Идентификаторы
СимволФитохром
PfamPF00360
ИнтерПроIPR013515
Доступные белковые структуры:
Pfam  структуры / ECOD  
PDBRCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumрезюме структуры
Спектр поглощения фитохрома овса (Девлин, 1969)

Фитохромов представляют собой класс фоторецепторов в растения , бактерии и грибки , используемых для обнаружения света. Они чувствительны к свету в красной и дальней красной области видимого спектра и могут быть классифицированы как Тип I, который активируется дальним красным светом, или Тип II, который активируется красным светом. [2] Недавние достижения показали, что фитохромы также действуют как сенсоры температуры, поскольку более высокие температуры усиливают их дезактивацию. [3] Все эти факторы влияют на способность растения к прорастанию.

Фитохромы контролируют многие аспекты развития растений. Они регулируют прорастание из семян (photoblasty), синтез хлорофилла , удлинение проростков, размер, форму и количество и движение листьев и сроки цветения у взрослых растений. Фитохромы широко экспрессируются во многих тканях и на разных стадиях развития. [2]

Другие фоторецепторы растений включают криптохромы и фототропины , которые реагируют на синий и ультрафиолетовый свет -A, и UVR8 , который чувствителен к ультрафиолетовому -B свету.

Структура [ править ]

Фитохромы состоят из белка , ковалентно связанного со светочувствительным билиновым хромофором . [4] Белковая часть состоит из двух идентичных цепей (A и B). Каждая цепь имеет домен PAS , домен GAFи домен PHY. Расположение доменов в фитохромах растений, бактерий и грибов сравнимо, поскольку три N-концевых домена всегда являются доменами PAS, GAF и PHY. Однако С-концевые домены более расходятся. Домен PAS служит датчиком сигнала, а домен GAF отвечает за связывание с цГМФ, а также воспринимает световые сигналы. Вместе эти субъединицы образуют область фитохрома, которая регулирует физиологические изменения растений в зависимости от условий красного и дальнего красного света. У растений красный свет изменяет фитохром в его биологически активную форму, тогда как дальний красный свет изменяет белок в его биологически неактивную форму.

Изоформы или состояния [ править ]

Две гипотезы, объясняющие индуцированные светом превращения фитохрома (P R - красная форма, P IR - дальняя красная форма, B - белок). Слева - H + диссоциация. [5] Справа - образование хлорофиллоподобного кольца. [6]

Фитохромы характеризуются фотохромностью красный / дальний красный. Фотохромные пигменты меняют свой «цвет» (спектральные свойства поглощения) при поглощении света. В случае фитохрома основным состоянием является P r , где r указывает на то, что он особенно сильно поглощает красный свет. Максимум поглощения представляет собой острый пик 650–670 нм, поэтому концентрированные растворы фитохрома для человеческого глаза выглядят бирюзово-голубыми. Но как только красный фотон поглощается, пигмент претерпевает быстрое изменение конформации с образованием состояния P fr . Здесь fr указывает, что теперь предпочтительнее поглощается не красный, а дальний красный (также называемый «ближний инфракрасный»; 705–740 нм). Этот сдвиг оптической плотности очевиден человеческому глазу как более зеленоватый оттенок. Когда Pfr поглощает дальний красный свет и преобразуется обратно в P r . Следовательно, красный свет составляет P fr , дальний красный свет - P r . У растений по крайней мере P fr является физиологически активным или «сигнальным» состоянием.

Влияние фитохромов на фототропизм

Фитохромы также обладают способностью чувствовать свет и заставляют растение расти навстречу свету. Это называется фототропизмом . [7] Яноуди и его коллеги хотели выяснить, какой фитохром вызывает фототропизм. Чтобы понять это, они провели серию экспериментов, которые нужно было начать с самого начала. Они обнаружили, что синий свет заставляет растение Arabidopsis thaliana проявлять фототропную реакцию, эта кривизна увеличивается с добавлением красного света. [7] Они обнаружили, что в растении присутствует пять фитохромов, они также обнаружили множество мутантов, у которых фитохромы не функционируют должным образом. [7] Два из этих мутантов были очень важны для этого исследования: phyA-101 и phyB-1.[7] Это мутанты фитохрома А и В соответственно. Нормально функционирующий фитохром А вызывает чувствительность к дальнему красному свету и вызывает регуляцию выражения кривизны в направлении света. [7] В то время как фитохром B более чувствителен к красному свету. [7]

Эксперимент включал в себя дикую форму Arabidopsis, phyA-101 (нуль-мутант по фитохрому A (phyA)), phyB-1 (мутант с дефицитом фитохрома B). [7] Затем они были подвергнуты воздействию белого света в качестве контрольного синего и красного света при разной плотности энергии света, была измерена кривизна. [7] Было установлено, что для достижения фенотипа , аналогичного фенотипу дикого типа, phyA-101 должен подвергаться воздействию на четыре порядка большей величины или около 100 мкмоль м -2 . [7] Однако плотность потока энергии, которая заставляет phyB-1 проявлять ту же кривизну, что и у дикого типа, идентична таковой у дикого типа. [7]Было обнаружено, что фитохром, который экспрессировал большее, чем обычно, количество фитохрома А, по мере увеличения флюенса, кривизна также увеличивалась до 10 мкмоль-м -2, кривизна была аналогична кривизне дикого типа. [7] Фитохром, экспрессирующий более чем нормальное количество фитохрома B, демонстрировал изгибы, сходные с изгибами дикого типа при разных плотностях света красного света до тех пор, пока плотность 100 мкмоль-м- 2 при плотностях выше этой кривизны не была намного выше, чем у дикого типа. -тип. [7]

Таким образом, эксперимент привел к открытию, что другой фитохром, помимо фитохрома А, влияет на кривизну, поскольку мутант не так уж далек от дикого типа, а phyA вообще не экспрессируется. [7] Таким образом, можно сделать вывод, что две фазы должны быть ответственны за фототропизм. Они определили, что отклик происходит при низких и высоких плотностях. [7] Это связано с тем, что для phyA-101 порог кривизны возникает при более высоких значениях плотности энергии, но кривизна также возникает при низких значениях плотности энергии. [7] Поскольку порог мутанта возникает при высоких значениях плотности энергии, было определено, что фитохром А не отвечает за искривление при высоких значениях плотности энергии. [7]Поскольку мутант по фитохрому B проявлял реакцию, аналогичную ответу дикого типа, был сделан вывод, что фитохром B не нужен для увеличения воздействия низкой или высокой плотности энергии. [7] Было предсказано, что мутанты с избыточной экспрессией фитохрома А и В будут более чувствительными. Однако показано, что чрезмерная экспрессия phy A на самом деле не влияет на кривизну, поэтому фитохрома дикого типа достаточно для достижения максимальной кривизны. [7] Для мутанта со сверхэкспрессией фитохрома В более высокая кривизна, чем обычно, при более высоких плотностях света указывает на то, что phy B контролирует кривизну при высоких плотностях энергии. [7] В целом они пришли к выводу, что фитохром А регулирует кривизну при низкой плотности энергии света. [7]

Влияние фитохромов на рост корней

Фитохромы также могут влиять на рост корней. Хорошо известно, что гравитропизм является основным тропизмом корней. Однако недавнее исследование показало, что фототропизм также играет роль. Положительный фототропизм, индуцированный красным светом, был недавно зарегистрирован в эксперименте, в котором использовался арабидопсис, чтобы проверить, какие участки растения оказывают наибольшее влияние на положительный фототропный ответ. Экспериментаторы использовали аппарат, который позволял вершине корня быть нулевым градусом, так что гравитропизм не мог быть конкурирующим фактором. При освещении красным светом корни арабидопсиса имели искривление от 30 до 40 градусов. Это показало положительный фототропный отклик в красном свете. Затем они хотели точно определить, где именно в растении попадает свет. Когда корни были закрыты, искривление корней при воздействии красного света практически отсутствовало. В отличие,при закрытии побегов наблюдалась положительная фототропная реакция на красный свет. Это доказывает, что светочувствительность имеет место в боковых корнях. Для дальнейшего сбора информации о фитохромах, участвующих в этой активности, мутанты фтохрома A, B, D и E и корни WT подвергались воздействию красного света. Мутанты фитохрома А и В были серьезно повреждены. Не было значительной разницы в ответеphyD и phyE по сравнению с диким типом , доказывая, что phyA и phyB ответственны за положительный фототропизм в корнях.   

Биохимия [ править ]

Химически фитохром состоит из хромофора , единственной молекулы билина, состоящей из открытой цепи из четырех пиррольных колец, ковалентно связанных с белковой составляющей через высококонсервативную аминокислоту цистеин. Именно хромофор поглощает свет и в результате изменяет конформацию билина, а затем и присоединенного белка, изменяя его из одного состояния или изоформы в другое.

Хромофор фитохрома обычно представляет собой фитохромобилин и тесно связан с фикоцианобилином (хромофор фикобилипротеинов, используемых цианобактериями и красными водорослями для улавливания света для фотосинтеза ) и с желчным пигментом билирубином (на структуру которого также влияет воздействие света, этот факт используется в фототерапии из желчных новорожденных). Термин «били» во всех этих названиях относится к желчи. Билины образуются из замкнутого тетрапиррольного кольца гема в результате окислительной реакции, катализируемой оксигеназой гема, с образованием их характерной открытой цепи.Хлорофилл тоже происходит из гема ( Heme ). В отличие от билинов, гем и хлорофилл несут атом металла в центре кольца, железа или магния соответственно. [8]

Состояние P fr передает сигнал другим биологическим системам клетки, например механизмам, ответственным за экспрессию генов. Хотя этот механизм почти наверняка является биохимическим процессом, он все еще является предметом многочисленных дискуссий. Известно, что, хотя фитохромы синтезируются в цитозоле и форма P r локализуется там, форма P fr , генерируемая световым освещением, перемещается в ядро клетки . Это предполагает роль фитохрома в контроле экспрессии генов, и известно, что многие гены регулируются фитохромом, но точный механизм еще предстоит полностью открыть. Было высказано предположение, что фитохром в составе Pfr может действовать как киназа , и было продемонстрировано, что фитохром в форме P fr может напрямую взаимодействовать с факторами транскрипции . [9]

Открытие [ править ]

Фитохромный пигмент был обнаружен Стерлингом Хендриксом и Гарри Бортвиком в Сельскохозяйственном исследовательском центре USDA-ARS в Белтсвилле в Мэриленде в период с конца 1940-х до начала 1960-х годов. Используя спектрограф, созданный из заимствованных и излишков войны, они обнаружили, что красный свет очень эффективен для стимулирования прорастания или запуска реакции цветения. Ответы на красный свет были обратимы дальним красным светом, что указывает на присутствие фотообратимого пигмента.

Фитохромный пигмент был идентифицирован с помощью спектрофотометра в 1959 году биофизиком Уорреном Батлером и биохимиком Гарольдом Сигельманом . Батлер также создал название «фитохром».

В 1983 году лаборатории Питера Куэла и Кларка Лагариаса сообщили о химической очистке интактной молекулы фитохрома, а в 1985 году первая последовательность гена фитохрома была опубликована Говардом Херши и Питером Куэллом. К 1989 году молекулярная генетика и работа с моноклональными антителами указали на то, что существовало более одного типа фитохрома; например, было показано , что растение гороха содержит по крайней мере два типа фитохромов (тогда называемых типом I (обнаруживается преимущественно в темных проростках) и типом II (преобладает в зеленых растениях)). Посредством секвенирования генома теперь известно, что Arabidopsisимеет пять генов фитохромов (PHYA-E), а в этом рисе только три (PHYA-C). Хотя это, вероятно, отражает состояние некоторых двудольных и однодольных растений, многие растения полиплоидны . Следовательно, кукуруза , например, имеет шесть фитохромов - phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 и phyC2. Хотя все эти фитохромы имеют существенно разные белковые компоненты, все они используют фитохромобилин в качестве своего светопоглощающего хромофора. Фитохром A или phyA быстро разлагается в форме Pfr - гораздо сильнее, чем другие члены этого семейства. В конце 1980-х лаборатория Vierstra показала, что phyA разлагается системой убиквитина, первой естественной мишени системы, идентифицированной у эукариот.

В 1996 году Дэвид Кехо и Артур Гроссман из Института Карнеги в Стэнфордском университете идентифицировали белки нитчатой цианобактерии Fremyella diplosiphon, названной RcaE, с фитохромом, аналогичным растительному фитохрому, который контролировал красно-зеленый фотообратимый ответ, называемый хроматической акклиматизацией, и идентифицировали ген в секвенированной опубликовал геном цианобактерии Synechocystis, более похожий на геном фитохрома растений. Это было первое свидетельство наличия фитохромов вне царства растений. Джон Хьюз из Берлина и Кларк Лагариас из Калифорнийского университета в Дэвисе впоследствии показали, что этот ген Synechocystis действительно кодирует добросовестныйфитохром (названный Cph1) в том смысле, что это красный / дальний красный обратимый хромопротеин. Предположительно фитохромы растений произошли от наследственного цианобактериального фитохрома, возможно, в результате миграции генов из хлоропласта в ядро. Впоследствии фитохромы были обнаружены у других прокариот, включая Deinococcus radiodurans и Agrobacterium tumefaciens . У Deinococcus фитохром регулирует выработку светозащитных пигментов, однако у Synechocystis и Agrobacterium биологическая функция этих пигментов все еще неизвестна.

В 2005 году лаборатории Виерстры и Фореста в Университете Висконсина опубликовали трехмерную структуру усеченного фитохрома Deinococcus (домены PAS / GAF). Эта статья показала, что белковая цепь образует узел - очень необычная структура для белка. В 2008 году две группы из Эссена и Хьюза в Германии и Янга и Моффата в США опубликовали трехмерные структуры всей фотосенсорной области. Одна структура была для Synechocystis sp. (штамм PCC 6803) фитохрома в Pr, а другой - для фитохрома Pseudomonas aeruginosa в P frгосударственный. Структуры показали, что консервативная часть домена PHY, так называемый язык PHY, принимает разные складки. В 2014 году Такала и др. Подтвердили, что рефолдинг происходит даже для одного и того же фитохрома (из Deinococcus ) в зависимости от условий освещения.

Генная инженерия [ править ]

Примерно в 1989 г. нескольким лабораториям удалось получить трансгенные растения, которые продуцировали повышенное количество различных фитохромов ( сверхэкспрессия ). Во всех случаях полученные растения имели заметно короткие стебли и темно-зеленые листья. Гарри Смит и его коллеги из Университета Лестера в Англии показали, что, увеличивая уровень экспрессии фитохрома А (который реагирует на дальний красный свет), можно изменить реакцию избегания тени . [10]В результате растения могут тратить меньше энергии на то, чтобы расти как можно выше, и иметь больше ресурсов для выращивания семян и расширения своей корневой системы. Это может иметь много практических преимуществ: например, травинки, которые будут расти медленнее, чем обычная трава, не потребуют такой частой стрижки, или культурные растения могут передавать больше энергии зерну, а не расти выше.

Ссылки [ править ]

  1. ^ PDB : 3G6O ; Ян Х, Кук Дж, Моффат К. (2009). «Кристаллическая структура мутанта Q188L бактериофитохромного фотосенсорного домена PaBphP P. aeruginosa» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 106 (37): 15639–15644. DOI : 10.1073 / pnas.0902178106 . PMC  2747172 . PMID  19720999 .
  2. ^ а б Ли Дж, Ли Г, Ван Х, Ван Дэн Х (2011). «Сигнальные механизмы фитохрома» . Книга арабидопсиса . 9 : e0148. DOI : 10,1199 / tab.0148 . PMC 3268501 . PMID 22303272 .  
  3. ^ Холлидей, Карен Дж .; Дэвис, Сет Дж. (2016). «Светочувствительные фитохромы чувствуют тепло» (PDF) . Наука . 354 (6314): 832–833. Bibcode : 2016Sci ... 354..832H . DOI : 10.1126 / science.aaj1918 . PMID 27856866 . S2CID 42594849 .   
  4. ^ Sharrock RA (2008). Суперсемейство фоторецепторов фитохром красный / дальний красный. Геномная биология, 9 (8), 230. doi: 10.1186 / gb-2008-9-8-230 PMC  2575506
  5. ^ Бритц SJ, Галстон AW (февраль 1983). "Физиология движений в стеблях проростков Pisum sativum L. cv Alaska: III. Фототропизм в отношении гравитропизма, нутации и роста" . Plant Physiol . 71 (2): 313–318. DOI : 10.1104 / pp.71.2.313 . PMC 1066031 . PMID 16662824 .  
  6. Перейти ↑ Walker TS, Bailey JL (апрель 1968). «Две спектрально разные формы хромофора фитохрома, экстрагированные из этиолированных проростков овса» . Biochem J . 107 (4): 603–605. DOI : 10.1042 / bj1070603 . PMC 1198706 . PMID 5660640 .  
  7. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t Абдул-кадер, Джануди (1977). «Множественные фитохромы участвуют в индуцированном красным светом усилении первого положительного фототропизма у Arabidopsis thaliana» (PDF) . www.plantphysiol.org .
  8. ^ Маузет, Джеймс Д. (2003). Ботаника: Введение в биологию растений (3-е изд.). Садбери, Массачусетс: Джонс и Бартлетт Обучение. С. 422–427. ISBN 978-0-7637-2134-3.
  9. ^ Шин, А-Янг; Хан, Юн-Чжон; Пэк, Аён; Ан, Таэхо; Ким, Су Ён; Нгуен, Тай Сон; Сын Минки; Ли, Кын Ву; Шен, Ю (2016-05-13). «Доказательства того, что фитохром функционирует как протеинкиназа в световой сигнализации растений» . Nature Communications . 7 (1): 11545. Bibcode : 2016NatCo ... 711545S . DOI : 10.1038 / ncomms11545 . ISSN 2041-1723 . PMC 4869175 . PMID 27173885 .   
  10. ^ Робсон, PRH, Маккормак, AC, Ирвин, А.С. и Смит, Х. Генная инженерия индекса урожая табака посредством сверхэкспрессии гена фитохрома. Nature Biotechnol. 14, 995–998 (1996).
  • Гурурани, Маянк Ананд, Марккандан Ганесан и Пилл-Сун Сонг. «Фотобиотехнология как инструмент улучшения агрономических свойств сельскохозяйственных культур». Успехи биотехнологии (2014).

Источники [ править ]

  • Лия Х., Чжанб Дж., Виерстра Р.Д., Лия Х. (2010). «Четвертичная организация димера фитохрома, выявленная с помощью криоэлектронной микроскопии» . PNAS . 107 (24): 10872–10877. Bibcode : 2010PNAS..10710872L . DOI : 10.1073 / pnas.1001908107 . PMC  2890762 . PMID  20534495 .
  • http://www.ars.usda.gov/is/timeline/light.htm
  • http://www.mobot.org/jwcross/duckweed/phytochrome.htm#tetrapyrrole
  • https://web.archive.org/web/20050302091035/http://ucce.ucdavis.edu/files/filelibrary/616/17562.htm
  • Терри и Джерри Одесирк. Биология: жизнь на Земле.
  • Линда Си Сейдж. Пигмент воображения: история исследования фитохромов. Academic Press, 1992. ISBN 0-12-614445-1