Раскрыта тайна наведения пыльцевой трубки
Оплодотворение у цветковых растений происходит благодаря точному росту пыльцевых трубок от пыльцы, которые доставляют спермии к семяпочке. Направленный рост пыльцевой трубки играет ключевую роль в контроле этого процесса. Пептид-аттрактант LURE, секретируемый синергидами рядом с яйцеклеткой внутри семяпочки, приводит к успешному оплодотворению. LURE специфичен для каждого вида растений и, следовательно, отвечает за оплодотворение внутри одного вида.
LURE1 уже был идентифицирован у модельного растения Arabidopsis thaliana, и были сообщения о наличии рецепторов на пыльцевой трубке, ответственных за его обнаружение. Модель «ключа и замка» иллюстрирует отношения между пептидом LURE (лигандом) и его рецептором. До сих пор было неизвестно, к какому именно рецептору связывается LURE и как это происходит.
Чтобы идентифицировать точный рецептор для LURE на пыльцевой трубке, профессор Университета Нагои Тэцуя Хигасияма и его коллабораторы из Университета Цинхуа, эксперты в структурной биологии растительных лигандов и рецепторов, провели анализ комплексов методом рентгеновской кристаллографии. Команда исследовала белок, связывающийся с LURE, создав LURE Arabidopsis thaliana и его белковый рецептор в культурах клеток насекомых. В результате удалось установить, что LURE специфически связывается с белковым рецептором PRK6 (pollen receptor-like kinase 6) на пыльцевой трубке. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.
Исследовательской группе удалось получить и проанализировать кристаллическую структуру LURE в комплексе с рецептором PRK6. Анализ показал, что LURE связывается, встраиваясь между обогащённым лейцином повтором (LRR-областью) и трансмембранной областью рецептора PRK6.
LURE связывается с областью PRK6, близкой к мембране. Эта область называется петлевой, и команда выявила, что электростатическое взаимодействие между положительным зарядом LURE и отрицательным зарядом на петлевой области PRK6 имеет решающее значение для связывания. Кроме того, удалось показать, что при связывании LURE в петлевой области PRK6 образуется дисульфидный мостик. Этот мостик между остатками цистеина способствует стабилизации петлевой области, которая играет значительную роль в связывании LURE.
Предыдущие работы показывали, что связывание пептидов и рецепторов у растений в основном происходит в LRR-области. Кроме того, когда лиганд связывается с рецептором на внешней стороне клетки, обычно формируется комплекс для передачи сигнала внутрь клетки. Однако связывание LURE и PRK6 происходило в ином месте, чем сообщалось ранее для растений, и при связывании не образовывалось комплексов. Эта уникальная схема связывания, по-видимому, отражает точный механизм контроля направления роста пыльцевой трубки.
При детальном изучении связывания LURE с петлевой областью PRK6 были идентифицированы ключевые аминокислоты, необходимые для этого взаимодействия. Команда проверила степень связывания и наведение пыльцевой трубки, заменяя аминокислоты, и обнаружила, что важны как аргинин (R83) в LURE, так и аспарагиновая кислота (D234) в PRK6.
«Наша лаборатория интенсивно работала над идентификацией аттрактантного пептида LURE и его рецепторного белка PRK6, и на этот раз нам удалось определить кристаллическую структуру комплекса LURE, чтобы доказать, что PRK6 является настоящим рецептором LURE», — говорит Хигасияма. «Мы выяснили, что через взаимодействие с рецептором PRK6 LURE способен менять направление роста пыльцевой трубки в сторону семяпочки, но мы всё ещё не понимаем, как LURE управляет направлением роста с такой высокой точностью».
«Мы продемонстрировали, что PRK6 имеет тенденцию концентрироваться в направлении LURE, поэтому возможно, что при связывании LURE с петлевой областью PRK6, сам PRK6 меняет своё поведение на кончике пыльцевой трубки. Проводя наблюдения в реальном времени за молекулярной активностью LURE и PRK6 на поверхности пыльцевых трубок, мы надеемся понять точный механизм их наведения».
Пептид LURE и рецептор PRK6 действуют как «ключ и замок», специфичные для каждого вида растений. Хигасияма и его группа полагают, что эта работа поможет понять, почему наведение пыльцевой трубки успешно внутри одного вида и затруднено между разными видами.
«Мы надеемся, что сможем сконструировать специфические системы "ключа и замка", чтобы наведение пыльцевой трубки стало эффективным между разными видами растений и могло привести к успешной гибридизации», — говорит Хигасияма. «Такие растения, как пшеница, рапс и хлопок, — важные виды, появившиеся в результате скрещивания. Мы считаем, что наше исследование будет значимым для создания специально сконструированных гибридных видов растений».