Растения на стероидах: обнаружено ключевое недостающее звено

Исследователи из Департамента биологии растений Института Карнеги обнаружили ключевое недостающее звено в так называемом сигнальном пути растительных стероидных гормонов (брассиностероидов). Многие важные сигнальные пути представляют собой каскад молекул, который начинается на поверхности клетки и доходит до ядра, регулируя гены.

Это открытие знаменует собой первый такой путь у растений, для которого идентифицированы все этапы передачи сигнала. Поскольку этот путь имеет много общего с путями у человека, открытие может привести не только к генной инженерии сельскохозяйственных культур с более высокой урожайностью, но и стать ключом к пониманию таких серьёзных заболеваний человека, как рак, диабет и болезнь Альцгеймера.

Стероиды — важные гормоны как у животных, так и у растений. Брассиностероиды регулируют многие аспекты роста и развития растений. Мутанты с дефицитом брассиностероидов часто карликовые и бесплодные. Брассиностероиды во многом схожи со стероидами животных, но, по-видимому, функционируют на клеточном уровне совершенно иначе. Клетки животных обычно реагируют на стероиды с помощью внутренних рецепторных молекул внутри ядра клетки, тогда как у растений рецепторы, называемые рецептор-подобными киназами, закреплены на внешней поверхности клеточных мембран. Более десяти лет учёные пытались понять, как сигнал передаётся с поверхности клетки в ядро для регуляции экспрессии генов. Последние пробелы были устранены в исследовании, опубликованном в онлайн-выпуске журнала Nature Cell Biology от 6 сентября 2009 года.

Исследовательская группа расшифровала путь в клетках Arabidopsis thaliana, небольшого цветкового растения, родственного капусте и горчице, часто используемого в качестве модельного организма в молекулярной биологии растений.

«Это первый полностью описанный сигнальный путь от рецептор-подобной киназы растений, которая является одним из самых больших семейств генов у растений», — говорит Чжи-Ён Ван из Института Карнеги, руководитель исследовательской группы. «Геном Arabidopsis кодирует более 400 рецептор-подобных киназ, а у риса их почти 1000. Мы знаем функции примерно дюжины из них. Полностью описанный путь брассиностероидов использует по крайней мере шесть белков для передачи сигнала от рецептора до экспрессии ядерных генов. Это станет новой парадигмой для понимания функционального механизма других рецептор-подобных киназ».

Понимание молекулярного механизма передачи сигнала брассиностероидов может помочь исследователям разработать стратегии и молекулярные инструменты для генной инженерии растений с изменённой чувствительностью к гормонам — как вырабатываемым самим растением, так и распыляемым на культуры во время выращивания, — что приведёт к повышению урожайности или улучшению признаков. «Возможно, мы сможем создать растения с изменённой чувствительностью в разных частях растения, — говорит Ван. — Например, мы можем манипулировать сигнальным путём, чтобы увеличить накопление биомассы в таких органах, как плоды, которые важны как сельскохозяйственная продукция, — область, крайне актуальная для производства продуктов питания и биотоплива».

Ещё одно открытие исследования имеет потенциально далеко идущие последствия для здоровья человека. Недавно идентифицированный компонент пути передачи сигнала брассиностероидов содержит эволюционно консервативные домены с гликогенсинтазной киназой 3 (GSK3). «GSK3 обнаружена у широкого круга организмов, включая млекопитающих, — говорит Ван. — Наше исследование выявило отличный механизм регуляции активности GSK3, отличающийся от того, что был идентифицирован в более ранних работах. Известно, что GSK3 играет критическую роль в развитии таких проблем со здоровьем, как нейродегенерация, рак и диабет, поэтому наше открытие может открыть новые направления исследований для понимания и лечения этих заболеваний».