В растениях небольшие изменения приводят к большим последствиям
Доктор Стивен Клаус изучает биохимические взаимодействия и их механизмы в растениях. Как и у животных, у растений есть гормоны — сигнальные молекулы, которые, связываясь со специфическими белками, регулируют ключевые клеточные функции: защиту, рост, развитие и многое другое.
Клаус, специалист в области молекулярной биологии, фокусируется на рецепторных киназах — белках-катализаторах на поверхности клеток, которые реагируют на сигналы гормонов. В модельном растении Arabidopsis thaliana (резуховидке Таля) их более 400, и они запускают множество сигнальных путей внутри клетки.
Один из важных процессов — фосфорилирование. Когда гормон связывается с рецепторной киназой, к ней добавляется молекула фосфата (происходит фосфорилирование). Это действует как молекулярный «включатель», запуская каскад взаимодействий, которые приводят, например, к росту растения или удлинению стебля. Если фосфорилирование нарушено, растения не могут нормально расти: они становятся коротколистными, дефектными и не способными к размножению.
Ключевые гормоны и рецепторы
Клаус с коллегами (докторами Майклом Гоше и Стивеном Хубером) изучают два особенно важных рецептора, BRI1 и BAK1, которые необходимы для сигналинга брассиностероидов — гормонов, критичных для роста растений. Эти рецепторы регулируют деление клеток, удлинение стебля и другие функции развития.
Важные открытия
За последние пять лет команда опубликовала серию работ в ведущих журналах, раскрывающих молекулярные механизмы этих взаимодействий:
- В Plant Cell (2005) были идентифицированы конкретные сайты фосфорилирования для BRI1 с использованием комбинации генетики, биохимии и масс-спектрометрии.
- В Developmental Cell (2008) была показана последовательность фосфорилирования во взаимодействиях BRI1 и BAK1 и её влияние на рост. Работа представила первую детальную модель активации растительных рецепторных киназ.
- Две недавние статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences раскрыли ещё больше деталей о специфических сайтах фосфорилирования.
Практическое значение
Изменения в этих сайтах фосфорилирования могут положительно влиять на сельскохозяйственные признаки. Например, зарубежная исследовательская группа, модифицировав ключевые сайты фосфорилирования BRI1 у риса, добилась увеличения урожайности поражённых растений до 30%.
Текущие исследования
Работа Клауса финансируется Национальным научным фондом (NSF) в рамках проекта Arabidopsis 2010, цель которого — определить функции всех 30 000 генов Arabidopsis к 2010 году.
- В 2004 году команда получила $2 млн на 4 года для изучения 223 рецепторных киназ (включая BRI1 и BAK1).
- Летом 2009 года был получен конкурентный грант на продление в
размере $2.5 млн на следующие 4 года. Цели гранта:
- Изучить 50 индивидуальных рецепторных киназ протеомными методами, чтобы выяснить, что с ними связывается и как они взаимодействуют с другими белками.
- Подробно исследовать функцию 12 из этих 50 киназ.
Вывод
Как заключает Клаус: «Небольшие изменения в отдельных сайтах фосфорилирования влияют на рост растений. Понимание механизмов, стоящих за тем, как растения растут и защищаются, имеет множество практических применений в сельском хозяйстве».