Генетика развития растений

1.

Генетика развития растений
Развитие =
рост + дифференцировка
Развитие клетки,
ткани, органа
(морфогенез)

2.

Особенность растений:
Прикрепленный образ жизни
1.
Морфогенез регулируется
факторами внешней среды
2.
внешние
факторы
внутренние
факторы
(фитогормоны)
экспрессия
генов
Избыточность генома
развитие

3.

производные
аденина
цитокинины
терпеноиды
производные
триптофана
ауксины
гиббереллины
абсцизовая
кислота (АБК)
газообразный
углеводород
H
H
C
C
H
H
этилен
Фитогормоны
жасмонаты
оксилипины
салициловая
кислота
производная
хоризмата
CLE-пептиды
системин
ENOD-40
POLARIS
etc.
короткие
брассиностероиды
пептиды
производные
холестана

4.

изменение вектора
силы тяжести,
вектора освещения
Ауксины
(«гормоны направлений»)
источники
минерального
питания
Цитокинины
(«гормоны деления клеток»)
свет,
температура
Гиббереллины
(стимуляторы вегетативного
и генеративного развития )
механические
повреждения
дефицит воды,
снижение
концентрации
гиббереллинов,
цитокининов и
ауксинов
изменение
вектора роста
органов
формирование
новых побегов
прорастание,
рост, цветение
Этилен
(«гормон стресса»)
защитные
реакции,
старение, ПКС
АБК
(«гормон покоя»)
защитные
реакции,
ингибирование
вегетативного
развития

5.

6.

Фитогормоны-антагонисты
дефицит воды
АБК
ауксины
гиббереллины
цитокинины
свет, вода, температура
Смысл: прорастание семян
только в подходящих условиях
Смысл:
«архитектура»
растения
(развитие
побеговой и
корневой
систем)
свет
ауксины
Смысл: правильная
работа устьиц
дефицит воды
АБК

7.

Рецепция
сигнал
Специфичность + высокая аффинность
Не меняет химической структуры сигнальной молекулы
Активирует путь передачи сигнала
Передача сигнала
•изменение активности эффекторных
белков (обычно – ферментов)
• синтез вторичных мессенджеров
• усиление сигнала на каждом этапе
(сигнальный каскад)
•взаимодействие и перекрестная активация
нескольких сигнальных путей
Регуляция экспрессии генов
•транскрипционные факторы
•факторы ремоделинга хроматина
•микро РНК
•и т.д.

8.

С2 Н4
Самая короткая система передачи сигнала:
стероидные гормоны животных
гормон
рецептор –
транскрипционный
фактор
Пример:
передача сигнала
этилена –
6 последоваMKK9
тельно
действующих
компонентов
EIN4
CTR1
EIN2
изменение экспрессии генов
MPK3/6
EIN3
EBF1/2
У растений такого нет!
ERF
Особенность растений:
многокомпонентные пути
передачи сигналов
(смысл: возможность
регуляции на каждом этапе)
XRN5
этилен-регулируемые гены

9.

Особенность растений:
избыточность компонентов пути передачи сигналов
(смысл: работа пути при потере одного из компонентов )
1.
На каждом этапе – семейство регуляторов: пример –
рецепторы цитокининов
WT
ahk2
ahk4
АНК2
ahk2
ahk3
ahk4
АНК3
АНК4
2. Несколько независимых путей передачи сигнала.
GTG1/2
RCAR
ABF
CHLH
ABP1
ABI3
?
?
ARF
TIR1
Пример - ответ на ауксины и АБК.
Ауксины – 2 рецептора:
связанный с G-белками
(плазмалемный) и компонент
системы убиквитинирования
(ядерный).
АБК - три рецептора: связанный с
G-белками (плазмалемный),
фермент метаболизма
порфиринов (хлоропластный) и
ингибитор фосфатаз
(цитозольный)

10.

Распространенные типы рецепторов растений
Рецепторы,
ассоциированные с Gбелками
Рецепторные
протеинкиназы
Рецепторы,
взаимодействующие с
системой
убиквитинирования
Ub
Ub
Ub
F-box
SKP
bg
a
RBX
E2
Cullin
ГДФ
Мишени:
МАР-киназный каскад,
Фосфопереносящие белки,
Малые ГТФазы
Мишени:
Фосфолипазы,
Са2+ каналы,
МАР-киназный каскад
Репрессоры
транскрипции

11.

Рецепторные His-киназы
•Трансмембранные рецепторы
•При связывании лиганда димеризуются
•Осуществляют автофосфорилирование по остатку His
•Затем передают фосфатную группу на остаток Asp белкамишени
•Основа работы двухкомпонентных сигнальных систем
•Пример – рецепторы цитокининов
Рецепторная
His-киназа
(AНК 2, 3, 4)
Фосфопереносящие
белки
(AНР)
Регуляторы
ответа
ARR-А
экспрессия генов
ARR-В

12.

Передача сигнала этилена
Передача сигнала цитокининов
TM
TM
P
киназный
домен
P
P
P
P
восприни
мающий
домен
P
киназный
домен
восприни
мающий
домен
P
АНР
АRR-B
CTR1
(МАРККК)
экспрессия генов
EIN3
экспрессия генов

13.

LRR домен
Рецепторные Ser/Thr протеинкиназы
(экстраклеточный,
связывает лиганд)
•Для рецепции образуют гетеродимеры
•При связывании лиганда автофосфорилируются по
остаткам Ser
•Фосфорилируют белки-мишени по остаткам Thr
CLV1 CLV2
NB-LRR
ТМ
домен
Ser
другие LRR
CRN
?
P
Thr
CLV3
Другие
лиганды
?
Поддержание
ПАМ
Ответ на бр.стероиды
Защита от патогенов
Ser
?
Другие ответы
киназный
домен
P
Thr

14.

МАР-киназный каскад
вышележащие
регуляторы
МАРККК
рецепторы
ауксина
?
рецепторы
этилена Фосфолипаза
А2
ANP
МАРКК
МАРК
CTR1
МКК 9
МРК 3, МРК6
ARF
Циклины В
мишени
МКК 1
(ауксин-зависимые ТФ)
EIN3
(этилен-зависимый ТФ)

15.

Рецепторы, ассоциированные с G-белками
рецептор
1.
ГТФ
ГДФ
2.
βγ
βγ
α
ГДФ
ГТФ
Эффектор
(фосфолипаза)
4.
α
3.
βγ
Pi
α
ГДФ
βγ
α
ГТФ
Примеры: 1. Рецептор ауксинов АВР1 – Ga активирует фосфолипазу А2
2. Рецептор АБК GTG1/2 – без помощи Ga активирует фосфолипазу D

16.

сигнал
Малые ГТФазы
(мономерные G-белки)
+
ГДФ
ГТФ
GEF ГТФ
Pi
GAP
Другие
эффекторы
Са2+ каналы
МАР-киназы
F-актин
gnom
АГ
ГТФ
GNOM
ГДФ
PIN белки
PLD, PIK
Защита от
патогенов
Развитие ПАМ
CLV3
Везикулярный
транспорт
ГТФ
GNOM
ГДФ
Рост
пыльцевой
трубки
и корневых
волосков
Ответ на
патогенез и
абиотический
стресс
CLV1/CLV2
P
P
WUS
ROP
MAPK

17.

Фосфолипазы – эффекторы гетеротримерных G-белков
Са2+ каналы,
Са2+ зависимые киназы
транскрипционные факторы,
киназы, фосфатазы
Са2+ каналы,
МАР-киназный каскад
актиновые
филаменты,
протеинкиназы

18.

Фосфолипаза С
• осуществляет гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-бифосфата (PIP2)
• активируется при ответе на АБК и ауксины
1,2-диацилглицерол (DAG),
остается в мембране
Ca2+-зависимые ПК
Инозитол 1,4,5-трифосфат (IP3),
уходит в цитоплазму
PIP2
Ca2+ каналы

19.

Са2+ каналы – эффекторы липидных вторичных мессенджеров
Са2+
Са2+
Са2+

20.

Кальмодулин – наиболее распространенный сенсор ионов Са2+
•состоит из 148 аминокислот и содержит 4 сайта связывания ионов Са2+
•не имеет ферментативной активности
•после связывания с Са2+ меняет конформацию и способен активировать
(инактивировать) другие белки
EF-hands
2+
Ca
СаМРК
C
N
NC
Са 2+
СаМРР
N
Са2+/СаМРК
2 нм
C
актин
ТФ
Ca2+

21.

Ub
Ub
Ub
Е1
Ub
Ub
1.
2.
3.
АДФ
Ub
субстрат
Е2
Ub
Е3
RING
Ub
26S
протеа
сома
Ub
Ub
+
Ub
Е2
субстрат
BTB
RBX
Система убиквитинирования белков:
АТФ
Убиквитин-активирующий фермент (Е1)
Убиквитин-связывающий фермент (Е2)
Убиквитин-лигаза (Е3) – присоединяет
убиквитин к белку-мишени
Убиквитин-лигазы растений:
2. Мультимерные
1. Мономерные
(семейства BTB, SCF, APC)
(семейство RING)
Мишени – светозависимые
и АБК-зависимые ТФ
1. Рецептор ауксинов TIR1 – один из FBP
2. Рецептор гиббереллинов GID1
!
!
взаимодействует с FBP
Ub
субстрат
CDC20
APC2
Е2
APC1
CUL3
CUL3-BTB
Мишени – ферменты
биосинтеза этилена
субстрат
Ub
Е2
FBP
RBX
SKP1
CUL1
APC
Мишени - циклины
SCF
Мишени – ТФ, контролирующие ответ
на ауксины, гиббереллин, этилен

22.

Рецепторы ауксина и гиббереллинов – компоненты убиквитинлигазных комплексов SCF
Рецептор гиббереллинов GID1
взаимодействует с F-бокссодержащим белком GID2
Рецептор ауксинов TIR1 –
F-бокс-содержащий белок
Aux/IAA
ARF
Убиквитинирование и протеолиз
транскрипционных репрессоров
DELLA
ИУК
Ub
Ub Ub Aux/IAA
proteasome
Ub
Ub Ub DELLA
Е2
TIR1
RBX
proteasome
ARF
ARF
CUL1
SCFTIR1 - рецепция ауксинов
GID1
GAMYB
Ub
SKP1
ГК
Ub
Е2
GID2
RBX
SKP1
CUL1
GAMYB
SCFGID1 - рецепция гиббереллинов

23.

рецепция
передача сигнала
Для растений характерна
избыточность компонентов
сигнальных путей (на каждом этапе –
семейство близких белков)
изменения морфогенеза только у
множественных мутантов
WT
экспрессия генов
развитие
Самое «узкое место»: как правило,
нет избыточности.
Гены, кодирующие регуляторы
экспрессии генов (обычно – ТФ) =
master genes
мутации по генам, кодирующим ТФ
«выпадение» какой-либо программы развития
ahk2
ahk4
ahk2
ahk3
ahk4
stm
Функции генов-мишеней ТФ не всегда
!
!
известны

24.

Многие ТФ - центральные регуляторы программ развития - напрямую
контролируются фитогормонами
Рецепторы АБК
abi3/vp12
ГК
Передача
сигнала АБК
ТФ
LEC
Созревание
зародыша,
Период покоя
семян
Гены запасных белков и дегидринов
«Гены периода покоя»
Другие
программы
Рецепторы ауксинов
Передача
сигнала ауксинов
ТФ
ARF
MP/ARF5 –
формирование
первичного корня
NPH4/ARF7 –
фототропизм
mp
wild
type

25.

ТФ с гомеодоменами
(семейство TALE)
WOX
вышележащие регуляторы:
1). система CLV (для ТФ WUS) 2). ???
мишени: 1). гены репрессоров ответа
на цитокинины (для ТФ WUS) 2). ???
программы развития:
KNOX
вышележащие регуляторы: ???
мишени: 1). гены биосинтеза ЦК и ГК, 2). ???
программы развития:
1). Развитие
2). Развитие сложного
ПАМ
листа
1). Идентичность зародыша и
суспензора (WOX2 и WOX8)
WOX8
stm
HD-ZIPIII
WOX2
1). Идентичность ПАМ и КАМ
(WUS и WOX5)
WUS
WT
35S::
KNAT1
вышележащие регуляторы: ???
мишени: 1). гены ТФ KANADY
(антагонисты HD-ZIPIII) 2). гены PIN
(регулируют транспорт ауксинов)
программы
WOX5
WT phb
развития:
идентичность
адаксиальной
стороны листа

26.

ТФ с MADS доменом
SOC1, FLC , CAL
вышележащие регуляторы:
1). ТФ FT 2). Белки FCA и FY
2). комплекс VRN
мишени: ген ТФ LFY
программы развития: развитие
флоральной меристемы
AP1, AP3, PI, AG, SEP1,2,3
вышележащие регуляторы: 1). ТФ LFY 2). ???
мишени: 1). ???
программы развития: развитие органов цветка
PHERES
вышележащие
регуляторы:
1). комплекс FIS 2). ???
мишени: ???
программы развития:
развитие эндосперма

27.

ТФ с GRAS доменом
SHORTROOT, SCARECROW
вышележащие регуляторы: ???
мишени: 1). Ген ТФ WOX5 2). ???
программы развития:
1). Формирование радиальной структуры
корня 2). Формирование КАМ
DELLA (репрессоры транскрипции)
вышележащие регуляторы: сигнальный
путь гиббереллинов
мишени: 1). гены a амилаз 2). гены
экспансинов 3). ген ТФ LFY
программы развития:
1). Прорастание семян 2). Рост стебля и
листьев в длину 3). Формирование
флоральной меристемы

28.

Факторы, влияющие на структуру хроматина
(chromatin remodeling factors)
MP
Ac
Ac
Ac
HDAC +
TOPLESS
DNA-metylases
ТФ
-
HDAC
+
HAT
Me
Ac
Ac
Ac
Me
Me
Me
Trithorax Group
proteins (trxG)
+
H3-метилирование по Lys4
-
mp
Me
Me
Me
-
Polycomb
Repressive
Complex 2
(PRC2)
H3-метилирование по Lys27
tpl

29.

Гистонметилазные
комплексы
Polycomb PRC2 в
развитии растений
Субъединицы PRC2
растений:
- гомологи E(z)
- гомологи Su(z)
- гомологи Esc
- гомологи Nurf

30.

Взаимодействие комплекса PRC2 с другими белками
(а) – только PRC2 комплекс неполное подавление экспрессии
(b) – присоединение белков-кофакторов полное подавление экспресии
(с) – присоединение комплекса PRC1 стабилизация подавления экспрессии
(d) – присоединение комплекса trxG снятие репрессии

31.

Работа PRC2 комплекса
VRN лежит в основе
явления вернализации

32.

МикроРНК в регуляции экспрессии генов растений

33.

Пример: роль микроРНК в развитии листа