Кіріспе

Өсімдіктер, бактериялар және саңырауқұлақтар жарықты анықтау үшін қолданатын ақуыз – фитохромдар. Фитохромдар – өсімдіктер, бактериялар және саңырауқұлақтарда табылған фоторецептор ақуыздарының класы. Олар көрінетін спектрдің қызыл және алыс қызыл аймақтарындағы жарыққа жауап береді және алыс қызыл жарықпен белсендірілетін I типке немесе қызыл жарықпен белсендірілетін II типке жіктелуі мүмкін. Жақындағы зерттеулер фитохромдардың температура сенсоры ретінде де әрекет ететінін көрсетті, себебі жоғары температура олардың деактивациясын күшейтеді. Бұл факторлардың барлығы өсімдіктің өніп-өсуіне ықпал етеді. Фитохромдар өсімдік дамуының көптеген аспектілерін бақылайды. Олар тұқымдардың өніп шығуын (фотобластика), хлорофилл синтезін, жас өсімдіктердің созылуын, жапырақтардың мөлшерін, пішінін, санын және қозғалысын, сондай-ақ ересек өсімдіктерде гүлдеу уақытын реттейді. Фитохромдар көптеген тіндерде және даму кезеңдерінде кеңінен таралған. Ақуыз бөлігінде екі бірдей тізбек (A және B) болады. Әрбір тізбекте PAS домені, GAF домені және PHY домені бар. Өсімдіктердегі, бактериялардағы және саңырауқұлақтардағы домендердің орналасуы салыстырмалы, себебі үш N-терминалды домен PAS, GAF және PHY домендерінен тұрады. Дегенмен, C-терминалды домендері көбірек айырмашылықтарға ие. PAS домені сигнал сенсоры ретінде қызмет етеді, ал GAF домені cGMP-мен байланысуға жауапты және жарық сигналдарын да сезінеді. Бұл суббірліктер бірге фитохром аймағын құрайды, ол өсімдіктердегі физиологиялық өзгерістерді қызыл және алыс қызыл жарық жағдайларының өзгеруіне байланысты реттейді. Өсімдіктерде қызыл жарық фитохромды биологиялық белсенді түріне, ал алыс қызыл жарық ақуызды биологиялық белсенді емес түріне өзгертеді.

Изоформалар мен күйлері

Фитохромдар қызыл/алыс қызыл фотохромикалық қасиеттерімен сипатталады. Фотохромикалық пигменттер жарық сіңірген кезде "түсін" (спектрлік сіңіру қасиеттерін) өзгертеді. Фитохром жағдайындағы негізгі күй Pr, мұндағы r оның қызыл жарықты ерекше күшті сіңіретінін көрсетеді. Сіңіру максимумы 650–670 нм аралығындағы өткір шың болып табылады, сондықтан ақ жарықта қарағанда концентрацияланған фитохром ерітінділері адам көзіне бирюза көк түсті көрінеді. Бірақ қызыл фотон сіңірілгеннен кейін пигмент жылдам конформациялық өзгеріске ұшырап, Pfr күйін қалыптастырады. Мұндағы fr қызыл емес, алыс қызыл (сондай-ақ "жақын инфрақызыл" деп аталады; 705–740 нм) дифференциалды түрде сіңірілетінін көрсетеді. Бұл сіңірудегі өзгеріс адам көзіне сәл жасыл түс ретінде көрінеді. Pfr алыс қызыл жарықты сіңіргенде Pr күйіне қайта айналады. Осылайша, қызыл жарық Pfr-ді, ал алыс қызыл жарық Pr-ді құрайды. Өсімдіктерде Pfr кем дегенде физиологиялық белсенді немесе "сигналдық" күй болып табылады.

Фитохромдардың фототропизмге әсері

Фитохромдар жарықты сезу қабілетіне ие, бұл өсімдіктің жарыққа қарай өсуіне себеп болады. Бұл фототропизм деп аталады. Жануди және оның әріптестері фототропизмнің пайда болуына қандай фитохром түрінің жауапты екенін білу үшін бірнеше тәжірибелер жүргізді. Олар көк жарық Arabidopsis thaliana өсімдігінде фототроптық реакцияны тудыратынын анықтады; бұл қисықтық қызыл жарық қосылғанда күшейе түседі. Pfr күйі жасушадағы басқа биологиялық жүйелерге, мысалы гендік экспрессияға жауапты механизмдерге сигнал жібереді. Бұл механизмнің биохимиялық процесс екені анық, бірақ ол әлі де көп пікірталас тудырып отыр. Фитохромдар цитозольде синтезделеді және Pr формасы сонда орналасады, ал жарықпен шарыққанда Pfr формасы жасуша ядросына көшіріледі. Бұл фитохромның гендік экспрессияны бақылаудағы рөлін көрсетеді, және көптеген гендер фитохроммен реттелетіні белгілі, бірақ нақты механизм әлі толыққанды анықталған жоқ. Фитохромның Pfr түрінде киназа ретінде әрекет етуі мүмкін деген болжам бар, сондай-ақ Pfr түріндегі фитохромның транскрипция факторларымен тікелей өзара әрекеттесетіні дәлелденді.

Ашылу

Фитохром пигментін 1940 жылдардың соңынан 1960 жылдардың басына дейінгі кезеңде Мэриленд штатындағы USDA ARS Белтсвилл ауылшаруашылық зерттеу орталығында Стерлинг Хендрикс және Гарри Бортвик ашты. Олар қарызға алынған және соғыстан қалған бөлшектерден құралған спектрографты пайдаланып, қызыл жарықтың өскіндік процестерді жақсартуға немесе гүлдеу реакциясын қозғауға өте тиімді екенін анықтады. Қызыл жарыққа жауап алыс қызыл жарықпен қайта жүргізілуге болатын, бұл фотореверсивті пигменттің бар екенін көрсетеді. 1959 жылы биофизик Уоррен Батлер және биохимик Гарольд Сигельман фитохром пигментін спектрофотометр арқылы анықтады. Батлер сонымен қатар фитохром деген атауды ұсынды. 1983 жылы Питер Куэйл мен Кларк Лагарияс зертханалары тұтас фитохром молекуласын химиялық тазарту туралы хабарлады, ал 1985 жылы Говард Херши мен Питер Куэйл алғашқы фитохром гендерінің тізбесін жариялады. 1989 жылға қарай молекулалық генетика және моноклоналды антиденелермен жұмыс бірден көп фитохром түрлерінің бар екенін көрсетті; мысалы, бұршақ өсімдігінде кем дегенде екі фитохром түрі болған (кейін І тип (көбінесе қараңғыда өскен көшеттерде кездеседі) және ІІ тип (жасыл өсімдіктерде басым) деп аталды). Қазіргі кезде геномдық секвенирлеу арқылы арабидопсис тұқымдасының бес фитохром гені (PHYA–E) бар екені, ал күріштің тек үш (PHYA–C) гені бар екені белгілі болды. Бұл көптеген ди- және монокотиледонды өсімдіктердегі жағдайды көрсетеді, бірақ көптеген өсімдіктер полиплоидты. Мысалы, жүгеріде phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 және phyC2 деген алты фитохром бар. Бұл фитохромдардың барлығының ақуыздық құрамы әртүрлі болғанымен, олардың барлығы фитохромобилинді жарықты сіңіретін хромофор ретінде пайдаланады. Фитохром А немесе phyA, Pfr түрінде отбасының басқа мүшелеріне қарағанда тез ыдырайды. 1980 жылдардың соңында Виерстра зертханасы phyA-ның убиквитин жүйесімен ыдырайтынын көрсетті, бұл эукариоттарда анықталған жүйенің алғашқы табиғи нысанасы еді. 1996 жылы Стэнфорд университетіндегі Карнеги институтындағы Дэвид Кехо және Артур Гроссман, фитохромды бақылайтын RcaE деп аталатын ақуызды, талшықты цианобактерия Fremyella diplosiphon-да анықтады, ол өсімдік фитохромына ұқсас. Бұл өсімдіктер әлемінен тыс жерлерде фитохромдардың табылуының алғашқы дәлелі болды. Берлиндегі Джон Хьюз және UC Davis-тегі Кларк Лагарияс кейіннен бұл Synechocystis генінің шынымен де қызыл/алыс қызыл кері жүргізілетін хромопротеин, яғни нағыз фитохромды (Cph1 деп аталады) кодтайтынын көрсетті. Өсімдік фитохромдары ата-бабалық цианобактериялық фитохромнан шыққан болуы мүмкін, мүмкін хлоропласттан ядроға геннің миграциясы арқылы. Кейіннен фитохромдар басқа прокариоттарда, соның ішінде Deinococcus radiodurans және Agrobacterium tumefaciens табылды. Deinococcus-та фитохром жарықтан қорғайтын пигменттердің өндірісін реттейді, бірақ Synechocystis және Agrobacterium-да бұл пигменттердің биологиялық функциясы әлі белгісіз. 2005 жылы Висконсин университетіндегі Виерстра және Форест зертханалары қысқартылған Deinococcus фитохромының үш өлшемді құрылымын (PAS/GAF домендері) жариялады. Бұл мақалада ақуыз тізбегінің түйін құрайтыны, ақуыз үшін ерекше құрылым екені айтылды. 2008 жылы Германиядағы Эссен мен Хьюз, АҚШ-тағы Янг пен Моффаттың екі тобы бүкіл фотосенсорлық доменнің үш өлшемді құрылымын жариялады. Олардың бірі Synechocystis sp. (PCC 6803 штаммы) фитохромы Pr, ал екіншісі Pseudomonas aeruginosa фитохромы Pfr күйінде болды. Құрылымдар PHY доменінің сақталған бөлігі, PHY тілі деп аталатын, әртүрлі бүктелулерді қабылдайтынын көрсетті. 2014 жылы Такала және авторлар қайта бүктелудің тіпті бірдей фитохром үшін (Deinococcus-тан) жарықтандыру жағдайларына байланысты болатынын растады.

Генетикалық инженерия

1989 жылы бірнеше зертханада әртүрлі фитохромдардың жоғары деңгейін (артық экспрессия) өндіретін трансгенді өсімдіктер жасалды. Барлық жағдайларда алынған өсімдіктердің сабақтары айқын түрде қысқа, ал жапырақтары тым қою жасыл болды. Гарри Смит және оның Англиядағы Лестер университетіндегі әріптестері фитохром А экспрессия деңгейін арттыру арқылы (алыс қызыл жарыққа жауап беретін) көлеңкеден қашу реакцияларын өзгертуге болатынын көрсетті. Нәтижесінде, өсімдіктер мүмкіндігінше биік өсуге аз энергия жұмсап, тұқым өсіруге және тамыр жүйесін кеңейтуге көбірек ресурстар жұмсай алады. Бұл көптеген практикалық пайдалар әкелуі мүмкін: мысалы, қарапайым шөптен баяу өсетін шөптің жапырақтарын жиі қырқудың қажеті болмайды, немесе егін өсімдіктері биік өсудің орнына дәнге көбірек энергия жұмсауы мүмкін. 2002 жылы өсімдік фитохромы мен фитохромды өзара әрекеттесетін фактордың (PIF) арасындағы жарықпен шақырылған өзара әрекеттесу ашытқыда ген транскрипциясын басқару үшін пайдаланылды. Бұл басқа организмнің фотопротеиндерін биохимиялық жолды басқару үшін қолданудың алғашқы мысалы болды.