Как растение «умеет» делать эти формы? Ответ заключается в контроле распределения растительного гормона, называемого ауксином, который определяет скорость деления и удлинения растительных клеток.Но как одна молекула может образовывать столько разных узоров? Потому что эффекты гормона опосредуются взаимодействием между большими семействами белков, которые либо нажимают на газ, либо тормозят, когда ауксин присутствует.
В последние годы, когда было обнаружено все больше и больше этих белков, механизм передачи сигналов ауксина стал казаться барочным до такой степени, что его невозможно понять.Теперь лаборатории Strader и Jez в Вашингтонском университете в Сент-Луисе сделали открытие об одном из белков в сигнальной сети ауксина, которое может оказаться ключом к пониманию всей сети.В выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 24 марта они объясняют, что им удалось кристаллизовать ключевой белок, называемый фактором транскрипции, и определить его структуру. Они узнали, что домен взаимодействия белка складывается в плоскую лопатку с положительно заряженной гранью и отрицательно заряженной гранью.
Эти грани позволяют белкам соединяться, как магниты, образуя длинные цепи или олигомеры.«У нас есть некоторые доказательства того, что белки образуют цепочку в растительных клетках, а также в растворе», — сказала старший автор Люсия Стрейдер, доктор философии, доцент биологии и эксперт по ауксинам. Варьируя длину этих цепочек, растения могут точно настраивать реакцию отдельных клеток на ауксин для получения детальных структур, таких как зубчатые доли листа кинзы.
Комбинаторный взрыв Формирование листьев — лишь одна из многих ролей, которые ауксин играет в растениях. Помимо прочего, гормон помогает растениям наклоняться к свету, корни расти вниз, а побеги расти, плоды развиваться, а плоды опадать.«Самая мощная форма гормона — индол-3-уксусная кислота, сокращенно ИУК, и сотрудники моей лаборатории шутят, что ИУК действительно означает« Участвует почти во всем », — сказал Стрейдер.
Предыстория здесь состоит в том, что целые семейства белков находятся между ауксином и генами, которые отвечают на ауксин, производя белки. В модельном растении Aribidopsis thaliana они включают 5 факторов транскрипции, которые активируют гены при наличии ауксина (называемые ARF), и 29 репрессорных белков, которые блокируют факторы транскрипции, связываясь с ними (белки Aux / IAA). Третья семья отмечает репрессоров для разрушения.
«В каждой клетке присутствуют разные комбинации этих белков», — сказал Стрейдер. «Кроме того, некоторые комбинации взаимодействуют сильнее, чем другие, а некоторые факторы транскрипции также взаимодействуют друг с другом».В свободное время Дэвид Корасик, аспирант лабораторий Strader и Jez и первый автор статьи PNAS, произвел предварительные вычисления, чтобы оценить сложность системы, которую они пытались понять. С чисто математической точки зрения существует 3828 возможных комбинаций связанных с ауксином белков Arabidopsis.
Это предполагает, что во взаимодействиях участвует только один белок каждого типа; если возможны кратные, число, конечно, взрывается.По словам Стрейдера, чтобы добиться прогресса, мы лучше понимаем, как взаимодействуют эти белки. Правило в химии белков противоположно правилу дизайна: вместо формы следует за функцией, функция следует за формой.
Итак, чтобы выяснить форму белка — то, как он складывается в пространстве — они обратились в лабораторию Джеза, которая специализируется на кристаллографии белков, по сути, форме микроскопии с высоким разрешением, которая позволяет визуализировать структуры белка на атомарном уровне.Корасик должен был кристаллизовать ARF7, фактор транскрипции, который помогает арабидопсису склоняться к свету. С помощью Джозефа Джеза, доктора философии, доцента биологии (Кори Вестфол и Сун Гу Ли), Корасик отрезал от белка «гибкие кусочки», которые могли затруднить кристаллизацию, оставив только ту часть белка, где он взаимодействует с молекулами-репрессорами.После того, как он получил эту конструкцию, кристаллизация пошла на удивление быстро.
4 июля он поставил свои первые капли в лунки с раствором. Белок суетливо кристаллизовался, и он направил кристаллы в усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории за пределами Чикаго. К 1 августа у него были дифракционные данные, необходимые для определения структуры белка.Сюрприз, сюрприз Предыдущая модель взаимодействия между репрессором и фактором транскрипции — модель, которая просуществовала 15 лет, — сказал Стрейдер, — заключалась в том, что репрессор лежал на факторе транскрипции, а два домена на репрессоре совпадали с соответствующие два домена фактора транскрипции.
Структурная модель, разработанная Корасиком, показала, что два домена складываются вместе, образуя единый домен, называемый доменом PB1. Домен PB1 — это модуль взаимодействия с белками, который можно найти у животных и грибов, а также у растений.
Репрессорные белки, которые, как предполагается, имеют домены PB1, идентичные домену фактора транскрипции ARF, затем прикрепляются к одной или другой стороне домена PB1 фактора транскрипции, не позволяя ему выполнять свою работу. Эксперименты показали, что белок-репрессор должен быть прикреплен к обеим сторонам домена PB1 фактора транскрипции, чтобы подавлять активность ауксина.
Это означает, что модель, в которой один белок-репрессор сочетается с одним фактором транскрипции, неверна, сказал Стрейдер.«Мы также не можем ограничить взаимодействие только двумя», — сказала она. «Насколько нам известно, их могут быть сотни».В кристалле Корасика пять доменов ARF7 PB1 слиплись друг с другом, образуя пентамер.«Мне нравится думать о доменах PB1 как о магнитах, — сказал Стрейдер. «Подобно магнитам, они могут склеиваться задом наперед, образуя длинные цепи».
«Но мы должны поставить рядом с этим звездочку, — сказал Корасик, — потому что, возможно, это артефакт кристаллографии и не работает так в живых растениях».Но и Стрейдер, и Корасик подозревают, что это так. Стрейдер отмечает, что сложность сигнальной системы ауксина увеличивалась с течением времени по мере того, как растения становились все красивее.
У простого растения, такого как мох Physcomitrella patens, меньше сигнальных белков, чем у сложного растения, такого как соя.«Вероятно, это говорит о том, что для растения действительно очень важно иметь возможность модулировать передачу сигналов ауксина, иметь правильное количество в каждой клетке, чтобы сбалансировать положительный и отрицательный рост», — сказал Корасик.«Разница между растениями и животными, — сказал Стрейдер, — в том, что у растений жесткие клеточные стенки.
Поэтому, когда растительная клетка решает разделиться или удлиниться, это постоянное решение, поэтому оно так жестко контролируется».