СИСТЕМА УСИЛЕНИЯ СТРЕССОВЫХ СИГНАЛОВ НА ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ В.В. Демидчик

СИСТЕМА УСИЛЕНИЯ СТРЕССОВЫХ СИГНАЛОВ
НА ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
В.В. Демидчик
Университет Эссекса, г. Колчестер, Великобритания
vdemid@essex.ac.uk
Эволюция привела к появлению у растений сложной системы адаптации к стрессовым
условиям и изменениям факторов окружащей среды. Практически любой внешний стимул,
как то физическое, химическое или биологическое воздействие, воспринимается клеточными рецепторными системам, а затем кодируется в виде биохимических реакций, приводящих напрямую к адаптивному ответу, либо к изменению экспрессии генов. Гены индуцируют метаболические программы, направленные на обеспечение нормальной жизнедеятельности в изменившихся условиях. Ксенобиотики не являются исключением, и их взаимодействие с клеткой приводит к изменению экспрессии генов и клеточного метаболизма.
Ионы кальция (Са2+) являются универсальным посредником между внешней средой и
клеткой (Hepler, 2005). Их концентрация в цитоплазме очень мала (порядка 100 nM), но она
может возрастать при воздействии внешних факторов, включая ксенобиотическое, и достигает уровней в десятки раз выше исходного при стрессах. При этом специфичное для каждого внешнего сигнала распределение Са2+ в цитоплазме, вероятно, кодирует особое «послание» для клеточного метаболизма и экспрессии генов (Hetherington and Brownlee, 2004). Таким образом, сигнал распознается, и клетка адекватно реагирует на отличные по природе и
силе воздействия.
Показано, что начальное повышение активности кальция в цитоплазме растительной
клетки, вызываемое внешним стимулом, обычно не велико. Тем не менее, за ним в большинстве случаев следует более сильный и продолжительный «кальциевый ответ». Как объясняется данное поведение клетки? Какие механизмы лежает в его основе? Насколько данное явление важно в жизни растительной клетки? Здесь я представляю модель, основанную
на собственных данных и результатах других исследователей, предлагающую объяснение
данного феномена (Рис. 1).
Рис. 1. Са2+-проницаемые катионные каналы
плазматической мембраны растительной клетки
Кальций поступает в клетку через специализированные белки плазматической мембраны, так называемые катионные каналы (Demidchik et al., 2006). Их генетическая основа до
конца не ясна, поэтому в качестве классификации используется чувствительность к напряжению и другие биофизические свойства (Demidchik et al., 2002; White et al., 2002). Найдено
три основных типа Са2+-проницаемых каналов плазматической мембраны растений. Это, со34
ответственно, каналы, активирующиеся при деполяризации и гиперполяризации, а также каналы нечуствительные к напряжению (Demidchik and Maathuis, 2007). Во многих растительных клетках, например, в таких важных для жизни растения тканях как епидермис и кортекс
корня, одновременно функционируют Са2+-проницаемые каналы всех трех типов, образуя
взамосвязанную систему транпорта Са2+ (Рис. 1) (Demidchik et al., 2002). Эта система позволяет клетке тонко регулировать поступление Са2+ при любой величине разности мембранных потенциалов (Demidchik and Maathuis, 2007). Внешние факторы, включая стрессовые
стимулы, могут активировать все типы Са2+-проницаемых каналов. Например, элиситоры
патогенных организмов, по-видимому, воздействуют на каналы, активирующиеся при гиперполяризации, в то время как появление в среде аминокислот (глутамата, глицина и некоторых других) вызывает активацию каналов нечувствительных к напряжению. Механическое воздействие или деполяризация под действием засоления открывают каналы, чувствительные к деполяризации (см. обзор Demidchik and Maathuis, 2007). Как результат, происходит генерация специфического «кальциевого ответа», и включаются механизмы адаптации.
Другим важным элементом ответа на стрессы и другие внешние стимулы является усиленная генерация реактивных форм кислорода (РФК). При некоторых типах стресса, например, при воздействии переходных тяжелых металлов или озона, РФК непосредственно являются повреждающим фактором. Но в других случаях они синтезируются клеткой специально и необходимы для полноценного ответа на стресс. Примерами является действие некоторых ксенобиотиков (например, кадмия и наночастиц), засоление, засуха, дефицит минеральных элементов и другие типы стрессовых воздействий (см. обзор Apel and Hirt, 2004). В
этом случае синтез РФК осуществляется НАДФН+-оксидазами плазматической мембраны и
пероксидазами апопласта (они активны в клеточной стенке).
Роль РФК в ответе на стресс несомненна, так как их устранение при помощи антиоксидантов, нарушает нормальную реакцию клетки на многие раздражители. Была выдвинута
гипотеза, что специализированные киназы плазматической мембраны и цитоплазмы могут
выступать сенсорами РФК, но она не нашла пока экспериментального подтверждения (Apel
and Hirt, 2004). Более обоснованным выглядит предположение о роли РФК в качестве активатора Са2+-проницаемых каналов (Demidchik et al., 2003).
В последнее десятилетие было показано, что РФК, а частности наиболее физиологически-значимые формы, такие как гидроксильные радикалы и Н2О2, способны активировать
Са2+-проницаемые каналы плазматической мамбраны клеток растений (Demidchik et al.,
1997, 2003, 2007; см обзор Demidchik and Maathuis, 2007). В большинстве случаев РФК действуют на каналы нечувствительные к напряжению, но в растущих тканях, например, корневых волосках, они стимулируют каналы, активирующиеся при гиперполяризации
(Demidchik et al., 2007). Также было показано, что последний тип каналов дополнительно
стимулируется входящим в клетку Са2+, что, вероятно, связано с наличием на цитоплазматической части канала Са2+-связывающего центра (Demidchik et al., 2003). Стимуляция цитоплазматическим Са2+ была обнаружена и для основной системы синтеза РФК-НАДФН+оксидазы, имеющей в своей структуре Са2+-активируемый центр (Keller et al., 1998). Таким
образом, незначительное первичное повышение Са2+ в цитоплазме, например, происходящее
вследствие активации стрессом каналов нечувствительных к напряжению, может приводить
к последующей стимуляции каналов, активирующихся при гиперполяризации, а также системы синтеза РФК (Рис. 2).
Данный механизм обладает способностью к самоусилению по принципу положительной
обратной связи – чем больше Са2+ входит в клетку и чем больше производится РФК, тем
больше будут стимулироваться системы ответственные за оба эти процесса.
35
Рис. 2. Модель системы усиления Са2+ сигнала
на плазматической мембране растительной клетки.
Предложенная модель дает возможность объяснить мощные многофазовые клеточные
«кальциевые ответы» на стрессовые стимулы, включая ксенобиотики. Вероятно, предложенный механизм служит для усиления слабых первичных «кальциевых сигналов» и является важной частью приспособления растения к новым условиям существования. Он также,
может участвовать в кодировании информации и распознавании факторов окружающей среды. Следует также учитывать, что Са2+-каналы тонопласта и мембран органелл, тоже могут
активироваться Са2+, что способно дополнительно усиливать и усложнять «кальциевый ответ».
Литература
Apel K., Hirt H. Reactive oxygen species: Metabolism, oxidative stress, and signal transduction // Annu. Rev.
Plant Biol.– 2004.– V.55.– P.373–399.
Hetherington A.M., Brownlee C. The generation of Ca2+ signals in plants // Annu. Rev. Plant Biol.– 2004.– V.
55.– P.401–427.
Demidchik V., Bowen H.C., Maathuis F.J.M., Shabala S.N., Tester M.A., White P.J., Davies J.M. Arabidopsis
thaliana root nonselective cation channels mediate calcium uptake and are involved in growth // Plant J.– 2002.– V. 32.
–P. 799–808.
Demidchik V., Davenport R.J., Tester M.A. Nonselective cation channels in plants // Annu. Rev. Plant Biol.–
2002.– V. 53.– P.67–107.
Demidchik V., Shabala S.N., Coutts K.B., Tester M.A., Davies J.M. Free oxygen radicals regulate plasma membrane Ca2+- and K+-permeable channels in plant root cells // J. Cell Sci.– 2003.– V. 116.– P.81–88.
Demidchik V., Sokolik A., Yurin V. Electrophysiological characterisation of plant cation channels // In A.G.
Volkov "Plant Electrophysiology: Theory and Methods". Springer-Verlag.– New York.– 2006.– P.173–185.
Demidchik V., Shabala S., Davies J. Spatial variation in H2O2 response of Arabidopsis thaliana root epidermal
Ca2+ flux and plasma membrane Ca2+ channels // Plant J.– 2006.– V.49.– P. 377–386.
Demidchik V., Maathuis F.J.M. Physiological roles of nonselective cation channels in plants: from salt stress to
signalling and development // New Phytol.– 2007.– V.175.– P.387–404.
Foreman J., Demidchik V., Bothwell J.H.F., Mylona P., Miedema H., Torres M.A., Linstead P., Costa S.,
Brownlee C., Jones J.D.G., Davies J.M., Dolan L. Reactive oxygen species produced by NADPH oxidase regulate
plant cell growth // Nature.– 2003.– V. 422.– P.442–446.
Hepler P.K. Calcium: a central regulator of plant growth and development // Plant Cell.– 2005.– V.17.– P.2142–
2155.
Keller T., Damude H.G., Werner D., Doerner P., Dixon R.A., Lamb C. A plant homolog of the neutrophil
NADPH oxidase gp91phox subunit gene encodes a plasma membrane protein with Ca2+ binding motifs // Plant Cell.–
1998.– V.10.– P.255–266.
White P.J., Bowen H.C., Demidchik V., Nichols C., Davies J.M. Genes for calcium-permeable channels in the
plasma membrane of plant root cells // Biochim Biophys Acta.– 2002.–V.1564.– P.299–309.
36