Обнаружен новый кислотный сенсор в растительных клетках
Исследователи из Вюрцбурга с помощью оптогенетики обнаружили в растительных клетках новый эндогенный кислотный сенсор, который обращается к внутриклеточному кальциевому депо. Исследование опубликовано в журнале Science.
При инфицировании патогенами, нехватке воды или реакции на другие внешние стимулы, растения сначала повышают концентрацию протонов и кальция в пораженных клетках. Эти ионы действуют как сигнальные вещества, запускающие дальнейшие реакции.
Взаимодействие протонов и ионов кальция в этом процессе было ранее мало изучено. Новое исследование команды под руководством биофизика профессора Райнера Хедриха из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Вюрцбурге пролило на это свет.
Используя сложный оптогенетический подход, ученые обнаружили ранее неизвестный эндогенный кислотный сенсор в растительных клетках. В замыкающих клетках листьев они выявили кальциевое депо, играющее важную роль в обработке протонных сигналов.
Почему протоны и ионы кальция служат сигналами
В ходе эволюции клетки настроили метаболизм на использование богатых энергией фосфатов. Это создает проблему: при преимущественно нейтральном клеточном pH ценные фосфаты могут связываться ионами кальция (Ca2+) и переходить в нерастворимую, а значит, бесполезную форму (дигидрофосфат кальция).
Чтобы избежать этого, клетки поддерживают очень низкий внутренний уровень кальция. В окружающей среде его концентрация в 10 000 раз выше. Вне клеток также значительно выше концентрация протонов (H+) и, следовательно, кислотность. Благодаря этому градиенту концентрации оба типа ионов стремятся проникнуть в клетки, что делает их идеальными сигнальными веществами.
«Стимул-зависимое открытие кальциевых и протонных каналов в клеточной мембране приводит к временному внутриклеточному увеличению концентрации обоих ионов-мессенджеров, — объясняет Хедрих. — Клетки интерпретируют это как сигнал, который преобразуют в биологическую реакцию с помощью кальций- и протон-связывающих ферментов».
Световой переключатель контролирует поток протонов в клетку
Как растительные клетки реагируют на приток протонов и связанное с этим закисление цитоплазмы? До сих пор это можно было исследовать лишь с большими экспериментальными усилиями и косвенно.
Теперь это стало проще благодаря специально модифицированному резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana), созданному командой Хедриха с помощью оптогенетики. Светочувствительный протонный канал KCR2 из гриба был оптимизирован для работы в растительных клетках. Это позволяет направлять протоны в клетки в ответ на световой импульс. Кроме того, KCR2 экспрессировали вместе с генетически закодированным pH-репортером pHuji, что позволяет легко измерять текущий pH в клетке при активации канала.
Шоугуан Хуан, первый автор публикации в Science, исследовал замыкающие клетки нового мутанта Arabidopsis. «При стимуляции синим светом в течение секунды они деполяризовались, как и ожидалось от светоактивируемого протонного канала», — говорит исследователь. В ходе последующих экспериментов было сделано важное открытие.
Активация KCR2 закисляет клетку и повышает уровень кальция
Электрофизиологические исследования замыкающих клеток показали, что при начале световой стимуляции мембранный потенциал немедленно деполяризуется, а pH-репортер pHuji сигнализирует о закислении клетки.
«Однако мы были удивлены, когда деполяризация и закисление продолжались добрую минуту после окончания светового импульса, — говорит Хедрих. — Это могло означать только одно: световая активация KCR2 и закисление активировали собственные ионные каналы замыкающей клетки». Речь идет о давно известных анионных каналах SLAC1 и SLAH3, активация которых, однако, также требует присутствия кальция.
Эндоплазматический ретикулум как кальциевое депо
«Собрав все факты, можно было предположить, что протонные токи, переносимые KCR2, и связанное с ними закисление клетки должны были также генерировать кальциевый сигнал», — резюмирует профессор JMU.
Его команда доказала, что быстрому закислению замыкающих клеток следует кальциевый сигнал длительностью 150–200 секунд. Они обнаружили, что этот кальций поступает не извне клетки, а высвобождается из эндогенного депо — эндоплазматического ретикулума. Это сеть мембранных трубочек и цистерн, пронизывающих цитоплазму.
Будущие исследования будут сосредоточены на анализе молекулярной природы H+-чувствительного кальциевого канала эндоплазматического ретикулума и изучении его протон-активируемого переключателя. Эти исследования важны для лучшего понимания того, как растительные клетки реагируют на внешние стимулы, такие как инфекции или засуха.