Что делает растения электрически возбудимыми

Растительные клетки используют электрические сигналы для обработки и передачи информации. В 1987 году биофизик Райнер Хедрих, будучи постдоком у Эрвина Нехера в Гёттингене, с помощью метода patch-кламп (Нобелевская премия Нехеру и Закману 1991) обнаружил в центральной вакуоли растительной клетки ионный канал, активируемый кальцием и электрическим напряжением.

В 2019 году команда Хедриха в Университете Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU) идентифицировала этот канал TPC1 как важный элемент для электрической коммуникации у растений. Если канал не работает, передача сигнала замедляется. Если он гиперактивен, то есть открыт слишком долго, растение испытывает сильный стресс и проблемы с ростом.

Эти реакции показывают: растения должны строго контролировать время открытия ионного канала TPC1, чтобы электрическая коммуникация между их клетками протекала гладко.

Структура объясняет, как канал включается

Публикация в журнале PNAS даёт новые представления о молекулярной функции и регуляции канала TPC1. Этого удалось достичь, объединив две области экспертизы: команда JMU под руководством Райнера Хедриха и Ирены Мартен отвечала за растительную биофизику, а группа под руководством Роберта М. Страуда и Саши Дикинсон из Калифорнийского университета в Сан-Франциско — за структурную биологию.

С помощью высокоразрешающей крио-электронной микроскопии американская команда наглядно показала, что перед открытием канала в нескольких белковых доменах происходят масштабные конформационные изменения. Электрический стимул инициирует вращательное движение домена сенсора напряжения. Это убирает аминокислотные остатки, которые служат сайтами связывания для ингибирующих ионов кальция во входном вакуолярном участке канала, — расчищая путь для потока ионов.

Содержание кальция в вакуоли сдерживает сенсор напряжения

Команда Хедриха и Мартен смогла показать, что канал TPC1 включается, когда уровень кальция в клеточной плазме повышается в ответ на внешние стимулы. Повышение же уровня кальция в вакуоли, напротив, замедляет чрезмерный ионный поток через канал и фактически делает вакуолярную мембрану нечувствительной к кальций-зависимым электрическим стимулам.

Вновь обнаруженный сайт связывания вакуолярных ионов кальция в ион-проводящей поре канала играет в этом процессе решающую роль.

«Мы смогли выяснить функцию этого домена канала с помощью измерений patch-кламп», — говорит профессор JMU Ирена Мартен. «Когда кальций связывается с вакуолярным поровым сайтом связывания, возникает отрицательная обратная связь с сенсором напряжения, что означает, что движение домена сенсора напряжения сильно нарушено. В результате канал остаётся закрытым, и электрического возбуждения вакуоли не происходит. Если же аминокислотные остатки поры удалены из пути транспорта ионов, связывания вакуолярного кальция не происходит, и открытие канала сильно облегчается».

Вопрос об эволюции каналов TPC1

Публикация в PNAS также способствует тому, что растительный ионный канал TPC1 теперь стал одним из наиболее изученных потенциал-зависимых ионных каналов. Эти знания могут помочь лучше понять и TPC1-зависимые процессы в клетках животных.

Что учёные будут делать дальше? «Мы изучаем вопрос, отличаются ли каналы TPC1 у разных видов растений с точки зрения регуляции и других свойств, и открывает ли это новые возможности для адаптации к окружающей среде», — говорит Райнер Хедрих. «При этом мы также учитываем регуляторы, играющие роль в каналах TPC1 животных. Эти исследования должны дать нам представление и об эволюции каналов TPC1».