Гены SPEECHLESS и SCREAM контролируют развитие устьиц в листьях растений
Устьица — микроскопические клапаны на поверхности листа — критически важны для продуктивности растения. Они открываются для поглощения CO2 для фотосинтеза, но при этом приводят к потере воды. Правильное количество и распределение устьиц — результат баланса.
У модельного растения Arabidopsis thaliana ученые, включая Кейко Тори (Howard Hughes Medical Institute/Университет Вашингтона и ITbM, Университет Нагои), определили ключевые гены, формирующие устьица.
- Ключевые регуляторы: Дифференцировка устьиц начинается, когда белки-мастер-регуляторы SPEECHLESS и SCREAM активируют экспрессию генов.
- Сигнальное торможение: Белок SPEECHLESS ингибируется сигнальным путем с участием MAP киназ MPK3 и MPK6, которые передают в клетку сигналы окружающей среды.
- Клеточная судьба: В зависимости от того, "побеждают" ли мастер-регуляторы или MAP киназы, начальная клетка становится устьицем или обычной эпидермальной клеткой.
В статье в Nature Plants доктор Аарти Путарджунан, профессор Кейко Тори и коллеги обнаружили механизм этого торможения.
Атомный механизм регуляции
Белок SCREAM содержит пару якорных мотивов, которые напрямую связывают MAP киназы (MPK3 и MPK6) с белком SPEECHLESS.
- Результат мутации: Единичная мутация аминокислоты в этом мотиве SCREAM приводит к неспособности рекрутировать ингибирующие MAP киназы. Это вызывает формирование листового эпидермиса, покрытого исключительно огромным количеством устьиц.
- Структурный анализ: В коллаборации со специалистами по структурной биологии (проф. Нин Чжэн) и теоретической химии (проф. Флоренс Тама) была определена структура растительной MAP киназы MPK6. Это раскрыло на атомном уровне, как SCREAM обеспечивает связывание с ингибирующими MAP киназами.
Эволюционные и практические перспективы
MAP киназы играют критическую роль в пролиферации и дифференцировке клеток у человека, а их дисфункция связана с раком.
- Структурное сходство и различие: Структура растительной MAP киназы MPK6 почти идентична человеческой. Однако способ связывания с белком SCREAM отличается от взаимодействия человеческих MAP киназ с их белками-«клиентами».
- Эволюционный вывод: Это означает, что растения, возможно, эволюционировали уникальный мотив для контроля клеточной судьбы через рекрутирование высококонсервативного сигнального белка — MAP киназ.
Атомное понимание этого механизма может быть использовано для: