Молекула ультрафиолетовой защиты растений раскрывает свои секреты
Ультрафиолетовое (УФ) излучение солнца может повредить белки и ДНК внутри клеток растений. Для защиты у растений эволюционировал сложный защитный ответ, управляемый светочувствительной белковой молекулой UVR8. Ученые из Института Скриппс и Университета Глазго детально изучили структуру и механизм работы UVR8.
"Это древняя молекула, играющая фундаментальную роль в растениях", — сказала профессор Элизабет Гецофф. Понимание ее работы помогает понять, как рост растений зависит от изменений солнечного света, например, из-за климатических сдвигов.
Солнцезащитный крем для растений
Исследователи впервые обнаружили защитную функцию UVR8 в 2002 году, удалив его ген у растения арабидопсис. Мутантные растения плохо росли при воздействии УФ-излучения диапазона "B". Когда UVR8 присутствует, он чувствует УФ-B свет и включает широкий защитный ответ, затрагивающий более 100 генов арабидопсиса. "Это гены ферментов репарации ДНК и других защитных белков. Это растительный эквивалент нанесения солнцезащитного крема", — пояснила Гецофф.
Структуры, которые никто не видел раньше
В исследовании ученые определили молекулярную архитектуру UVR8 с разрешением 1.7 Å (170 триллионных метра). Известно, что UVR8 является "димером" из двух идентичных белковых субъединиц. Структурный анализ показал, что эти субъединицы имеют форму пончика и в норме слабо связаны. Интерфейс между ними образован аминокислотами белка, включая пирамидальные структуры из аминокислот триптофана, которые служат первичными сенсорами УФ-B света.
"Поглощение фотонов УФ-B этими триптофановыми пирамидами приводит к ослаблению электростатической силы, удерживающей две субъединицы UVR8 вместе", — сказал Джон Кристи.
В результате субъединицы могут разделиться, поодиночке переместиться в ядро клетки и начать оркестрацию активности генов. Анализ также показал, что через несколько часов субъединицы могут снова собраться в чувствительные к УФ-B димеры.
"Другим светочувствительным белкам для обнаружения света требуется химическая модификация или молекула-помощник, но UVR8 уникален тем, что имеет эти встроенные УФ-B-чувствительные триптофановые пирамиды — структуры, которые никто не видел раньше", — отметил Кристи.
Молекула со своим собственным световым сенсором
Эксперименты с заменой отдельных аминокислот в UVR8 подтвердили, что триптофаны в пирамидальной структуре критически важны для обнаружения УФ-B. Замена одного триптофана на фенилаланин смещает чувствительность UVR8 к УФ-C излучению с более короткой длиной волны. "Эти эксперименты без сомнения показали, что UVR8 содержит свой собственный световой сенсор", — сказала Гецофф.
Ученые планируют далее выяснить, как именно поглощение УФ-B вызывает диссоциацию димера UVR8, и как затем разделенные субъединицы взаимодействуют с другими белками и хромосомами в ядре для включения защитных ответов у растения.