Новая теория гетерозиса. Концепция аллельного и неаллельного механизма возникновения гетерозиса

Мутация в гене EIN2 обусловливает у растений дефекты в ядерном мембранном белке EIN2, который воспринимает этиленовый сигнал от вторичных посредников и передает его внутрь ядра клетки к эффекторным белкам, ответственным за транскрипцию определенных генов. Это приводит у мутантных растений, в конечном счете, к подавлению генетических программ, обеспечивающих специфический ответ на этилен растений (Muday et al., 2006).

1.2. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ В СЕБЯ В КАЧЕСТВЕ СОПРЯГАЮЩЕГОСЯ КОМПОНЕНТА ГЕТЕРОТРИМЕРНЫЕ ГТФ-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ (G-БЕЛКИ)

У многоклеточных и одноклеточных эукариот широко распространены хемосигнальные системы, в которых функцию сопрягающего компонента между опознающим внешний сигнал рецептором серпантинного типа и эффекторным белком, ответственным за конечный ответ клетки, выполняет гетеротримерный G-белок. Однако еще сравнительно недавно считали, что у растений такие системы отсутствуют. Открытия последних лет заставили кардинально пересмотреть эту точку зрения. В настоящее время сопряженные с G-белками сигнальные системы и их компоненты обнаружены у нескольких видов растений. В наибольшей степени такие системы изучены у A. thaliana и гороха (Pisym sativum), в геноме которых выявлены гены, кодирующие рецепторы серпантинного типа, гетеротримерные G-бели и регуляторные RGS-белки, являющиеся функциональными блоками сопряженных с G-белками сигнальных систем (Шпаков, 2009).

В геноме A. thaliana обнаружены гены, которые кодируют субъединицы, формирующие молекулу гетеротримерного G-белка: одну G?- (GPA1), одну G?- (AGB1) и две G?-субъединицы (AGG1 и AGG1). Ген GPA1 контролирует альфа-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (G-белки), содержащих альфа (AtGPA1), бета (AGB1) и гамма (AGG) субъединицы. Продукт гена GPA1 участвует в передаче фитогормонального сигнала с активированного гормоном рецептора к факторам транскрипции, которые регулируют экспрессию генов в растении (Ullah et al., 2002).

Ген AGP1 кодирует бета-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков. Белок гена AGP1 выполняет функцию подавления передачи гормонального сигнала к эффекторным белкам, которые инициируют или подавляют транскрипцию определенных генов, что влечет за собой включение или выключение определенных физиологических и генетических программ развития растения (Borner et al., 2002).

У многих растений выявлены G-белки и установлена их роль в регуляции важнейших физиологических и биохимических процессов (Chen et al., 2011). Эти данные указывают на то, что и у большинства (если не у всех) растений имеются сопряженные с G-белками сигнальные системы, активируемые фитогормонами (Шпаков, 2009).

Гетеротримерные ГТФ-связывающие белки соединены с мембранными рецепторами GPCR (англ. G protein-coupled receptors), которые в своем строении имеют 7 трансмембраннных доменов, в результате этого они получили название 7 ТМ-рецепторы (от Seven Transmembrane Receptor), семиспиральные рецепторы, или серпентины. Семиспиральные рецепторы, сопряженные с G белками, составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR рецепторы выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу. Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках эукариот: у дрожжей, растений, хоанофлагеллят и животных (Pandey, Assmann, 2004).

У A. thaliana также имеется более 50 генов, кодирующих белки, которые по структурной организации сходны с рецепторами серпантинного типа животных и грибов и, следовательно, могут выполнять их функции. Большинство этих белков обладают высокой гомологией по отношению к однородным рецепторам позвоночных животных. В структуре восьми из них идентифицированы участки, которые включают в себя молекулярные детерминанты, ответственные за функциональное взаимодействие с гетеротримерными G-белками (Gookin et al., 2008).

Первым среди рецепторов серпантинного типа у A. thaliana был изучен рецептор GCR1, который обладает гомологией первичной структуры по отношению как к цАМФ-рецепторам амебы Dictyostelium discoideum (23—25% идентичности), так и к рецепторам кальцитонина и серотонина позвоночных животных (Plakidou-Dymock et al., 1998). Показано, что GCR1 взаимодействует с ?-субъединицей (GPA1) гетеротримерного G-белка, причем ключевую роль в этом взаимодействии, как и в большинстве других рецепторов серпантинного типа, играют его вторая и третья цитоплазматические петли (Pandey, Assmann, 2004).

1.3. ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ

Непосредственный контроль над развитием органов и тканей растений осуществляется транскрипционными факторами-белками, которые после перемещения в ядро клетки регулируют транскрипцию, специфически взаимодействуя с ДНК либо с другими белками, которые могут образовывать комплекс белок-ДНК. В настоящее время у арабидопсиса установлены более 1800 генов, кодирующих белки-регуляторы транскрипции, которые обычно классифицируют по строению ДНК-связывающих доменов (Медведев, Шарова, 2010). Вчастности, ген SHR1 у A. thaliana является геном-регулятором (переключателем) развития корневой системы, который детерминирует процессы роста и дифференцировки клеток корня. Он кодирует транскрипционный фактор (белок), регулирующий активность верхушечной меристемы корня (Levesque et al., 2006).

Ген SHR1 контролирует генетическую программу формирования корня и его тканей, обеспечивая включение или выключение определенных генов в нужный момент развития растения. Действуя в соответствии с генетической программой или в ответ на внешние воздействия, белок SHR инициирует или подавляет транскрипцию определенных генов, что влечет за собой изменения в клеточной морфологии, клеточной дифференциации и морфогенезе корня (Welch et al., 2007).

В результате мутации shr-1 гена SHR1 апикальная меристема на главном корне в зоне деления теряет свою способность к активному делению и образованию новых клеток, то есть утрачивает меристематическую активность (Helariutta et al., 2000). Кроме этого, мутация shr-1 в гене SHR1 приводит к потере в корне самого внутреннего слоя первичной коры – эндодермы, а также к уменьшению размеров клеток центрального цилиндра (Nakajima et al., 2001).

Белок гена SHR1 принадлежит к GRAS семейству транскрипционных факторов, которое включает более 30 белков, участвующих в регуляции развития корня и побегов, в ответных реакциях на гиббереллины, в передаче фитогормонного сигнала. Кроме белка SHR (short root), к семейству транскрипционных факторов GRAS относятся такие белки, как GAI (gibberellic acid insensitive), PAT1 (phytochrome A signal transduction), RGA1 (repressor of GA1), SCR (SCARECROW) и другие (Sena et al., 2004).

Ген SCARECROW1 (SСR1) выполняет аналогичную роль в корневой системе растения, как и ген SHR1. Наряду с геном SHR1 ген SСR1 регулирует функционирование апикальной меристемы корня, сохраняя при этом способность инициальных клеток к активному делению и образованию новых клеток (Sabatini et al., 2003).

Мутация sсr-1 по гену SСR1 вызывает у растений в зоне деления главного корня дезорганизацию покоящегося центра и потерю меристематической активности инициальных клеток. Это приводит к истощению пролиферирующих клеток в апикальной меристеме корня и, как следствие, к прекращению роста корневой системы (Heidstra et al., 2004). Мутация sсr-1 гена SСR1 также влияет на развитие в корне слоя клеток коры, нарушая ее радиальное строение. Она приводит к потере в корне слоя клеток коры между эпидермисом и перициклом, которая в норме у растений состоит из таких трех частей, как экзодерма, мезодерма и эндодерма (Helariutta et al., 2000).

Подобно гену SHR1 ген SСR1 кодирует транскрипционный фактор, принадлежащий к GRAS семейству генов, который тесно связан с транскрипционным фактором гена SHR1, поскольку белок SHR необходим для активации в коре эндодермы экспрессии гена SСR1 (Kamiya et al., 2003).

Другими из таких генов считаются гены ALF3, ALF4, SHY2/IAA3, ARF19, NPH4/ARF7, SLR1/IAA14, AXR2/IAA7, AXR3/IAA17, MSG1/IAA19 и IAR2/IAA28. Гены ALF3 и ALF4 кодируют белки – активаторы транскрипции, расположенные в ядре клеток. Продукты генов ALF3 и ALF4