Στρατηγικές φυτών για τον έλεγχο της ανάπτυξης και της ανάπτυξης:Ενσωμάτωση και των δύο μορίων σήματος, της αυξίνης και του μονοξειδίου του αζώτου
Ο όρος αυξίνη προέρχεται από την ελληνική λέξη "auxein", που σημαίνει μεγαλώνω ή επεκτείνω και σφραγίστηκε από τον Κάρολο Δαρβίνο πριν από περισσότερο από έναν αιώνα. Στο «The Power of Movement in Plants» (1880), ο Δαρβίνος περιέγραψε για πρώτη φορά τις επιπτώσεις του φωτός στην κίνηση των κολεοπτιλίων από καναρίνι. Έδειξε ότι η άκρη του δενδρυλλίου είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ενός κινητού σήματος, της αυξίνης, το οποίο μεταφέρεται στο κάτω μέρος του κολεόπτιλου όπου, μετά από το φως ερέθισμα, συμβαίνει κάμψη. Η αυξίνη είναι ίσως το πιο εντατικά μελετημένο μόριο στα φυτά, καθώς επηρεάζει σχεδόν κάθε πτυχή της ανάπτυξης και της ανάπτυξης κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους.
Ο ρόλος της αυξίνης δικαιολογείται από το συντονισμό της σύνθεσης, του μεταβολισμού, της μεταφοράς και της αντίληψής της. Το φυτικό κύτταρο μεταφέρει το σήμα αυξίνης μέσω μιας καλά χαρακτηρισμένης οδού πυρηνικής σηματοδότησης, πυροδοτώντας μεταγραφικές αποκρίσεις ανάλογα με ένα συγκεκριμένο κύτταρο, ιστό ή όργανο.
Η οδός σηματοδότησης αυξίνης ξεκινά μόλις η ορμόνη μετακινηθεί στον πυρήνα και δεσμευτεί από ένα σύστημα υποδοχέων που έχει δημιουργηθεί από μία από τις λιγάσες ουβικιτίνης Ε3 SCF και τα υποστρώματα αποδόμησής τους AUX/IAAs μεταγραφικοί καταστολείς. Μετά τη δέσμευση αυξίνης, το SCF ενεργοποιεί την ουβικουτυλίωση και περαιτέρω ανακύκλωση AUX/IAA από το πρωτεάσωμα. Δεδομένου ότι τα AUX/IAA μπλοκάρουν την έκφραση γονιδίων που ανταποκρίνονται στην αυξίνη, η αποδόμησή τους είναι απαραίτητη για την ενεργοποίηση της οδού αυξίνης.
Δεδομένου ότι τα φυτά είναι άμισχοι οργανισμοί που δεν μπορούν να ξεφύγουν από τις αλλαγές στο περιβάλλον, η αποδόμηση των προ-συνθεμένων πρωτεϊνών καταστολέα AUX/IAA αντί της σύνθεσης «de novo» των πρωτεϊνών ενεργοποίησης αποτελεί μια πιο γρήγορη και αποτελεσματική στρατηγική για την ενεργοποίηση των μοριακών οδών που απαιτούνται για προσαρμοστούν σε νέες καταστάσεις. Έτσι, το σύστημα ουβικιτίνης-πρωτεασώματος μέσω της εξαιρετικής δράσης ειδικών λιγασών ουβικιτίνης Ε3, όπως η SCF, στρατολογεί απευθείας πρωτεΐνες για στοχευμένη αποικοδόμηση. Οι λιγάσες Ε3 τύπου SCF είναι τα πιο άφθονα σύμπλοκα αναγνώρισης υποστρώματος σε ευκαρυωτικά κύτταρα και έχουν εμπλακεί σε κάθε κύρια οδό σηματοδότησης φυτοορμόνης. Κάθε μεμονωμένη λιγάση SCF E3 είναι ένα πολυμερές που αποτελείται από μια πρωτεΐνη ικριώματος Cullin 1, ένα RING RBX1 για τη δέσμευση ενός ενζύμου σύζευξης Ε2 φορτωμένο με ουβικιτίνη και μια μονάδα δέσμευσης υποστρώματος που κατασκευάζεται από την πρωτεΐνη προσαρμογέα SKP1 (στο Arabidopsis ASK1) και ένα εναλλάξιμο υπόστρωμα -μονάδα αναγνώρισης F-box Protein (FBP).
Την τελευταία δεκαετία αποκτήσαμε τεράστιες γνώσεις για το πώς γίνεται αντιληπτή και μεταδίδεται η αυξίνη σήματος και τώρα αρχίζουμε να αποκαλύπτουμε ένα νέο επίπεδο ρύθμισης του συστήματος σε επίπεδο σταθερότητας SCF. Δεδομένου ότι το γονιδίωμα Arabidopsis κωδικοποιεί εκατοντάδες FBP και το ASK είναι σε θέση να συσχετιστεί με διαφορετικά FBP για να σχηματίσει πολλαπλά σύμπλοκα SCF, η πρόκληση της ρύθμισης της συναρμολόγησης SCF είναι ιδιαίτερα σημαντική. Το σύμπλεγμα SCF είναι, επομένως, ένας εξαιρετικός πυρήνας στον οποίο ενδέχεται να πραγματοποιηθούν διαφορετικά επίπεδα μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων. Εκτός από την αυξίνη, το μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ) θεωρείται ένα πανταχού παρόν σήμα στα φυτά που συμβάλλει στον προσδιορισμό της μορφολογίας και του αναπτυξιακού προτύπου των ριζών, εν μέρει με τη ρύθμιση της απόκρισης αυξίνης. Προηγουμένως, αποκτήσαμε στοιχεία σχετικά με το ρόλο του δεύτερου αγγελιοφόρου ΝΟ για τη ρύθμιση του FBP TIR1 για την ανίχνευση αυξίνης. Αναρωτηθήκαμε περαιτέρω εάν το ΝΟ μπορεί να διαδραματίσει ευρύτερο ρόλο στη ρύθμιση του SCF και της λειτουργικότητάς του στα φυτικά κύτταρα.
Ένας μηχανισμός με τον οποίο το αέριο ΝΟ τροποποιεί τη μοίρα των πρωτεϊνών είναι μέσω της οξειδοαναγωγικής τροποποίησης των υπολειμμάτων κυστεΐνης (S-νιτροζυλίωση). Ενδιαφέρον είναι το γεγονός ότι η S-νιτροζυλίωση μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγές στον εντοπισμό της πρωτεΐνης, στη δραστηριότητα πρωτεΐνης ή στην αλληλεπίδραση πρωτεΐνης-πρωτεΐνης/DNA-πρωτεΐνης. Αυτό αποτελεί ένα ισχυρό σήμα οξειδοαναγωγής σε πολλές φυσιολογικές διεργασίες σε ζώα, ανθρώπους και φυτά, όπου απαιτείται ταχεία και ευέλικτη ρύθμιση.
Στις πρόσφατες μελέτες μας, δείξαμε ότι το ΝΟ ρυθμίζει άμεσα τη συγκρότηση της λιγκάσης της ουβικιτίνης SCFE3 μέσω της S-νιτροζυλίωσης του ASK1. Το NO ενεργοποιεί την οξειδοαναγωγική τροποποίηση 2 κυστεϊνών στο ASK1 βελτιώνοντας την αλληλεπίδραση μεταξύ του TIR1 και του ικριώματος SCF CUL1-RBX, επηρεάζοντας κατά συνέπεια την ενεργοποίηση σηματοδότησης αυξίνης. Συλλογικά, τα αποτελέσματά μας τεκμηριώνουν την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων, της S-νιτροζυλίωσης και της ουβικουτυλίωσης ως μέσο για την ισχυρή ρύθμιση του μηχανισμού υποδοχέα αυξίνης, η οποία υπαγορεύει τις φυσιολογικές αποκρίσεις κατά την ανάπτυξη και την ανάπτυξη των φυτών.
Δεδομένου ότι οι λιγάσες ουβικιτίνης SCF E3 διαδραματίζουν θεμελιώδη ρόλο στην αίσθηση και τη σηματοδότηση που ενεργοποιούνται από διάφορες φυτοορμόνες, το ΝΟ μπορεί πιθανώς να προσκρούει σε αυτές ως ευέλικτο δεύτερο αγγελιοφόρο. Η δική μας είναι η πρώτη απόδειξη ότι το ΝΟ ρυθμίζει άμεσα τα SCF στα φυτά, και πιθανώς αυτό αποτελεί απλώς την κορυφή του παγόβουνου για τη συμμετοχή του ΝΟ στον μηχανισμό της ουμπικιτίνης. Είναι ενδιαφέρον ότι στα ζώα, η S-νιτροζυλίωση έχει αποδειχθεί ότι είναι σημαντική για τη ρύθμιση της δραστηριότητας του συστήματος ουβικιτίνης-πρωτεασώματος που σχετίζεται με νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Η καθολικότητα τόσο της S-νιτροζυλίωσης όσο και της ουβικουιτυλίωσης που σχετίζεται με την πρωτεόσταση παρέχει μια πολύτιμη πλατφόρμα για την επέκταση αυτής της μελέτης σε άλλους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.
Ευρήματα σχετικά με το ρόλο του ΝΟ στις λιγάσες SCF-E3 δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Redox Biology στο άρθρο με τίτλο Ρύθμιση της συναρμολόγησης λιγάσης SCFE3 με S-νιτροζυλίωση των επιπτώσεων Arabidopsis SKP1-like1 στη σηματοδότηση αυξίνης.
Αυτό το έργο διεξήχθη από τη María José Iglesias, María Cecilia Terrile, Natalia Correa-Aragunde, Silvana Lorena Colman, Diego Fernando Fiol, Ramiro París, Lorenzo Lamattina και Analong Artionale από την Claudia. -Álvarez από το Νοσοκομείο Universitario de La Princesa (Ισπανία), Nuria Sánchez-López και Anabel Marina από το Centro de Biología Molecular «Severo Ochoa» (Ισπανία), Luz Irina A. Calderón Planiboncery (Ινστιτούτο Calderón Villalobonizmans) Ο Mark Estelle από το University of California San Diego (ΗΠΑ) και Antonio Martínez-Ruiz από το Centro de Investigación Biomédica en Red de Enfermedades Cardiovasculares (Ισπανία).
