Белок-выключатель симбиоза растений и бактерий раскрывает свою структуру

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе определили атомную структуру ключевого белка NolR, который действует как главный «выключатель» процесса образования клубеньков у бобовых растений — симбиоза с азотфиксирующими бактериями.

Контекст: биологическая фиксация азота

Бактерии рода Rhizobia живут в клубеньках на корнях бобовых растений (сои, фасоли). Они расщепляют прочную тройную связь в молекуле атмосферного азота (N₂) и преобразуют атомы азота в соединения, доступные для растения. Взамен растение поставляет бактериям энергию в виде сахаров.

Этот симбиоз производит больше азота для растений, чем все промышленные удобрения, и поставляет его в нужном количестве и в нужное время. Синтетические же удобрения часто вымываются в водоемы или испаряются в виде закиси азота (N₂O), нанося вред окружающей среде.

Странный процесс клубенькообразования

Процесс начинается с молекулярного «диалога»:

1. Растение выделяет флавоноиды.
2. Бактериальный белок NodD (главный «включатель») воспринимает их и активирует nod-гены.
3. Nod-гены производят Nod-фактор — сложную молекулу, которая заставляет растение сформировать инфекционную нить.
4. По этой нити бактерии проникают вглубь корня, где растение заключает их в мембранные пузырьки внутри клеток коры клубенька. Здесь они превращаются в бактериоиды.

Роль NolR — главного «тормоза»

Еще в 1980-90-х годах ученые идентифицировали NolR как главный «выключатель», который подавляет не только nod-гены, но и сам NodD, а также другие гены, необходимые для симбиотического образа жизни.

«У бактерии есть способность включить множество генов для симбиоза, но она должна держать их выключенными, пока ведет свободноживущий образ жизни. В этом и заключается роль NolR», — пояснил Джозеф Джез.

«Это как вождение машины: NodD — педаль газа, а NolR — тормоз», — добавил Сун Гун Ли.

Как была решена структура

Белок NolR долгое время не поддавался кристаллизации. Прорыв произошел, когда исследователи решили кристаллизовать не сам белок, а его комплекс с фрагментом ДНК, к которой он прикрепляется. Это дало низкоразрешающие данные, которые помогли интерпретировать высокоразрешающие данные для самого белка.

Ключевые выводы о структуре NolR:

• Белок имеет мотив «спираль-поворот-спираль» (helix-turn-helix), характерный для ДНК-связывающих белков.
• NolR работает как димер (состоит из двух одинаковых частей).
• Две его спирали расположены так, чтобы идеально входить в две последовательные большие бороздки двойной спирали ДНК.
• Способность связываться с множеством разных генов обеспечивается наличием в этих генах одинаковой консенсусной последовательности нуклеотидов, которую распознает NolR.

Работа, опубликованная 14 апреля в PNAS, — важный шаг к пониманию молекулярной механики симбиоза. Теперь ученые стремятся определить структуру белка-«включателя» NodD, чтобы получить полную картину управления этим процессом, что в перспективе может помочь в создании сельскохозяйственных культур с собственной системой фиксации азота.