Как растения транспортируют белки в вакуоли семян: эволюция механизма
Семенные растения, такие как соя, запасают большое количество белка в специализированных органеллах — белковых вакуолях. Эти белки поддерживают рост проростков и служат основным источником пищевого белка для людей и скота.
Эта функция накопления белка уникальна для растительных вакуолей и отсутствует у других организмов. В ходе эволюции растения развили специальный механизм для транспорта больших количеств белков в вакуоли.
В исследовании, опубликованном в Current Biology, группа под руководством профессора Такаши Уэды и доцента Масару Фудзимото раскрыла молекулярные шаги, приведшие к возникновению этой специфичной для растений транспортной системы. Работа показывает, что её появление было вызвано ступенчатой неофункционализацией белка мембранного слияния VAMP7.
Ключевые эволюционные шаги
Учёные обнаружили, что система транспорта в вакуоли возникла благодаря серии молекулярных инноваций:
- Появление в белке VAMP7 вставки из аминокислот.
- Постепенное закисление этой вставки со временем.
- Постепенное приобретение и усиление способности связываться с адаптерным белковым комплексом AP-4, который отвечает за отбор груза.
Эти модификации позволили создать уникальный для семенных растений вакуолярный транспортный путь.
Два типа VAMP7 и загадка VAMP727
Растения содержат два основных типа белков VAMP7:
- VAMP71 — функционирует в слиянии вакуолярных мембран.
- VAMP72 — участвует в трафике к плазматической мембране (часть секреторного пути).
Ранее была идентифицирована уникальная VAMP72-подобная белковая форма — VAMP727 — у семенных растений, например, у Arabidopsis thaliana. В отличие от типичных VAMP72, VAMP727 содержит в N-концевом лонгин-домене кислую богатую аминокислотами вставку длиной около 20 остатков. Этот белок функционирует в вакуолярном трафике и необходим для транспорта запасных белков в вакуоли во время развития семян.
Реконструкция эволюционного пути
Команда реконструировала эволюционную траекторию, сравнивая аминокислотные последовательности и функции белков VAMP72 у широкого спектра видов — от зелёных водорослей до семенных растений.
Доцент Фудзимото поясняет: «Наши данные свидетельствуют, что VAMP72 сначала приобрела частично кислую вставку, содержащую тирозиновый мотив, что позволило частично изменить её функцию. По мере того как эта вставка становилась более кислой и формировала кислый дилейциновый мотив, взаимодействие белка с комплексом AP-4 усиливалось. В результате появилась VAMP727 — вакуоль-направленная форма VAMP.
Мы полагаем, что этот двухэтапный функциональный переход привёл к рождению нового вакуолярного транспортного пути у растений, позволившего массивное накопление запасных белков в вакуолях семян».