Фитохромы: светочувствительные белки растений, бактерий и грибов.

Введение

Белок, используемый растениями, бактериями и грибами для обнаружения света.

Фитохромы – это класс фоторецепторных белков, встречающихся у растений, бактерий и грибов. Они реагируют на свет в красном и дальнем красном диапазонах видимого спектра и могут быть классифицированы как тип I, активируемый дальним красным светом, или тип II, активируемый красным светом. Недавние исследования показали, что фитохромы также действуют как датчики температуры, поскольку повышение температуры усиливает их деактивацию. Все эти факторы способствуют прорастанию растений. Фитохромы контролируют многие аспекты развития растений, регулируя прорастание семян (фотобластию), синтез хлорофилла, удлинение сеянцев, размер, форму, количество и движение листьев, а также время цветения у взрослых растений. Фитохромы широко экспрессируются в различных тканях и на разных стадиях развития. Белковая часть состоит из двух идентичных цепей (А и В). Каждая цепь содержит домен PAS, домен GAF и домен PHY. Расположение доменов в фитохромах растений, бактерий и грибов сопоставимо, поскольку три N-концевых домена всегда представлены доменами PAS, GAF и PHY. Однако C-концевые домены более разнообразны. Домен PAS служит датчиком сигнала, а домен GAF отвечает за связывание с цГМФ и также воспринимает световые сигналы. Вместе эти субъединицы формируют фитохромный регион, который регулирует физиологические изменения в растениях в ответ на изменения условий красного и дальнего красного освещения. У растений красный свет превращает фитохром в его биологически активную форму, а дальний красный свет – в биологически неактивную.

Изоформы и состояния

Фитохромы характеризуются фотохромизмом в красной и дальнекрасной областях спектра. Фотохромные пигменты меняют свой "цвет" (спектральные свойства поглощения) при поглощении света. В случае фитохрома, основным состоянием является Pr, где r указывает на то, что он особенно сильно поглощает красный свет. Максимум поглощения – острый пик на длинах волн 650–670 нм, поэтому концентрированные растворы фитохрома выглядят бирюзово-голубыми для человеческого глаза при освещении белым светом. Однако, как только пигмент поглощает красный фотон, он претерпевает быстрое конформационное изменение, переходя в состояние Pfr. Здесь fr указывает на то, что теперь он дифференциально поглощает не красный, а дальнекрасный свет (также называемый "ближним инфракрасным"; 705–740 нм). Это изменение в поглощении заметно для человеческого глаза как слегка более зеленоватый оттенок. При поглощении дальнекрасного света Pfr возвращается в состояние Pr. Таким образом, красный свет превращает Pr в Pfr, а дальнекрасный свет – Pfr в Pr. По крайней мере, у растений Pfr является физиологически активным или "сигнальным" состоянием.

Влияние фитохромов на фототропизм

Фитохромы также обладают способностью воспринимать свет, что вызывает рост растения в направлении источника света. Это явление называется фототропизмом. Джануди и его коллеги стремились выяснить, какой тип фитохрома отвечает за фототропизм, и провели серию экспериментов. Они обнаружили, что синий свет вызывает фототропный отклик у растения Arabidopsis thaliana; эта кривизна усиливается при добавлении красного света. Форма Pfr передает сигнал другим биологическим системам в клетке, таким как механизмы, ответственные за экспрессию генов. Хотя этот механизм, вероятно, является биохимическим процессом, он до сих пор остается предметом дискуссий. Известно, что фитохромы синтезируются в цитозоле, и форма Pr локализуется там, однако форма Pfr, образующаяся под воздействием света, перемещается в ядро клетки. Это указывает на роль фитохрома в контроле экспрессии генов, и известно, что многие гены регулируются фитохромом, но точный механизм до конца не выяснен. Предполагается, что фитохром в форме Pfr может функционировать как киназа, и было показано, что фитохром в форме Pfr способен непосредственно взаимодействовать с факторами транскрипции.

Открытие

Пигмент фитохром был обнаружен Стерлингом Хендриксом и Гарри Бортвиком в Центре сельскохозяйственных исследований USDA ARS Beltsville в Мэриленде в период с конца 1940-х до начала 1960-х годов. Используя спектрограф, собранный из заимствованных и списанного военного оборудования, они обнаружили, что красный свет очень эффективен для стимуляции прорастания семян или запуска реакций цветения. Реакция на красный свет была обратима под воздействием дальнего красного света, что указывало на наличие фотореверсивного пигмента. Идентификация пигмента фитохрома была проведена в 1959 году биофизиком Уорреном Батлером и биохимиком Гарольдом Сигельманом с использованием спектрофотометра. Батлер также предложил название – фитохром. В 1983 году лаборатории Питера Куэйла и Кларка Лагариаса сообщили об успешной химической очистке неповрежденной молекулы фитохрома, а в 1985 году Говард Херши и Питер Куэйл опубликовали первую последовательность гена фитохрома. К 1989 году исследования в области молекулярной генетики и работа с моноклональными антителами показали существование нескольких типов фитохрома; например, было установлено, что растение гороха содержит как минимум два типа фитохрома (тогда называемые тип I, преимущественно в проростках, выращенных в темноте, и тип II, преобладающий в зеленых растениях). Секвенирование генома впоследствии показало, что Arabidopsis содержит пять генов фитохрома (PHYA–E), а рис – только три (PHYA–C). Хотя это, вероятно, отражает ситуацию у многих двудольных и однодольных растений, многие растения являются полиплоидами. Так, например, кукуруза имеет шесть фитохромов: phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 и phyC2. Несмотря на значительные различия в белковых компонентах, все эти фитохромы используют фитохромобилин в качестве светопоглощающего хромофора. Фитохром A или phyA быстро деградирует в форме Pfr – значительно быстрее, чем другие представители семейства. В конце 1980-х годов лаборатория Vierstra продемонстрировала, что phyA деградирует посредством системы убиквитина, став первой идентифицированной естественной мишенью этой системы у эукариот. В 1996 году Дэвид Кехо и Артур Гроссман из Института Карнеги при Стэнфордском университете идентифицировали белки RcaE в нитчатой цианобактерии Fremyella diplosiphon, обладающие сходством с растительными фитохромами и контролирующие красно-зеленый фотореверсивный ответ, называемый хроматической акклимацией. Они также идентифицировали ген в секвенированном и опубликованном геноме цианобактерии Synechocystis, демонстрирующий более тесное сходство с генами растительных фитохромов. Это стало первым доказательством существования фитохромов за пределами растительного царства. Джон Хьюз в Берлине и Кларк Лагариас в UC Davis впоследствии показали, что этот ген Synechocystis действительно кодирует полноценный фитохром (названный Cph1), поскольку представляет собой красный/дальнекрасный обратимый хромопротеин. Предполагается, что растительные фитохромы произошли от предковых цианобактериальных фитохромов, возможно, в результате миграции генов из хлоропласта в ядро. Впоследствии фитохромы были обнаружены и у других прокариот, включая Deinococcus radiodurans и Agrobacterium tumefaciens. У Deinococcus фитохром регулирует выработку светозащитных пигментов, однако биологическая функция этих пигментов у Synechocystis и Agrobacterium остается неизвестной. В 2005 году лаборатории Vierstra и Forest из Университета Висконсина опубликовали трехмерную структуру усеченного фитохрома Deinococcus (домены PAS/GAF). В этой работе было показано, что белковая цепь образует узел – крайне необычную структуру для белка. В 2008 году две группы, возглавляемые Эссеном и Хьюзом в Германии и Янгом и Моффатом в США, опубликовали трехмерные структуры всего фотосенсорного домена. Одна структура относилась к фитохрому Synechocystis sp. (штамм PCC 6803) в форме Pr, а другая – к фитохрому Pseudomonas aeruginosa в форме Pfr. Эти структуры показали, что консервативная часть домена PHY, так называемый «язычок PHY», принимает различные конформации. В 2014 году Такала и соавторы подтвердили, что перегиб происходит даже для одного и того же фитохрома (из Deinococcus) в зависимости от условий освещения.

The phytochrome pigment was discovered by Sterling Hendricks and Harry Borthwick at the USDA ARS Beltsville Agricultural Research Center in Maryland during a period from the late 1940s to the early 1960s. Using a spectrograph built from borrowed and war surplus parts, they discovered that red light was very effective for promoting germination or triggering flowering responses. The red light responses were reversible by far red light, indicating the presence of a photoreversible pigment. The phytochrome pigment was identified using a spectrophotometer in 1959 by biophysicist Warren Butler and biochemist Harold Siegelman. Butler was also responsible for the name, phytochrome. In 1983 the laboratories of Peter Quail and Clark Lagarias reported the chemical purification of the intact phytochrome molecule, and in 1985 the first phytochrome gene sequence was published by Howard Hershey and Peter Quail. By 1989, molecular genetics and work with monoclonal antibodies that more than one type of phytochrome existed; for example, the pea plant was shown to have at least two phytochrome types (then called type I (found predominantly in dark grown seedlings) and type II (predominant in green plants)). It is now known by genome sequencing that Arabidopsis has five phytochrome genes (PHYA E) but that rice has only three (PHYA C). While this probably represents the condition in several di and monocotyledonous plants, many plants are polyploid. Hence maize, for example, has six phytochromes phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 and phyC2. While all these phytochromes have significantly different protein components, they all use phytochromobilin as their light absorbing chromophore. Phytochrome A or phyA is rapidly degraded in the Pfr form much more so than the other members of the family. In the late 1980s, the Vierstra lab showed that phyA is degraded by the ubiquitin system, the first natural target of the system to be identified in eukaryotes. In 1996 David Kehoe and Arthur Grossman at the Carnegie Institution at Stanford University identified the proteins, in the filamentous cyanobacterium Fremyella diplosiphon called RcaE with similarly to plant phytochrome that controlled a red green photoreversible response called chromatic acclimation and identified a gene in the sequenced, published genome of the cyanobacterium Synechocystis with closer similarity to those of plant phytochrome. This was the first evidence of phytochromes outside the plant kingdom. Jon Hughes in Berlin and Clark Lagarias at UC Davis subsequently showed that this Synechocystis gene indeed encoded a bona fide phytochrome (named Cph1) in the sense that it is a red/far red reversible chromoprotein. Presumably plant phytochromes are derived from an ancestral cyanobacterial phytochrome, perhaps by gene migration from the chloroplast to the nucleus. Subsequently, phytochromes have been found in other prokaryotes including Deinococcus radiodurans and Agrobacterium tumefaciens. In Deinococcus phytochrome regulates the production of light protective pigments, however in Synechocystis and Agrobacterium the biological function of these pigments is still unknown. In 2005, the Vierstra and Forest labs at the University of Wisconsin published a three dimensional structure of a truncated Deinococcus phytochrome (PAS/GAF domains). This paper revealed that the protein chain forms a knot a highly unusual structure for a protein. In 2008, two groups around Essen and Hughes in Germany and Yang and Moffat in the US published the three dimensional structures of the entire photosensory domain. One structures was for the Synechocystis sp. (strain PCC 6803) phytochrome in Pr and the other one for the Pseudomonas aeruginosa phytochrome in the Pfr state. The structures showed that a conserved part of the PHY domain, the so called PHY tongue, adopts different folds. In 2014 it was confirmed by Takala et al that the refolding occurs even for the same phytochrome (from Deinococcus) as a function of illumination conditions.

Генетическая инженерия

Около 1989 года нескольким лабораториям удалось получить трансгенные растения, производящие повышенное количество различных фитохромов (сверхэкспрессия). Во всех случаях полученные растения имели заметно укороченные стебли и темно-зеленые листья. Гарри Смит и его коллеги из Лестерского университета в Англии показали, что увеличение уровня экспрессии фитохрома А (реагирующего на дальний красный свет) позволяет изменять реакции избегания затенения. В результате растения могут тратить меньше энергии на вытягивание вверх и иметь больше ресурсов для формирования семян и развития корневой системы. Это может иметь множество практических преимуществ: например, трава, растущая медленнее обычной, потребует реже стрижки, или сельскохозяйственные растения смогут направлять больше энергии на формирование зерна, а не на рост стебля. В 2002 году светоиндуцированное взаимодействие между фитохромом растения и фитохромово-интерактивным фактором (PIF) было использовано для контроля транскрипции генов в дрожжах. Это был первый пример использования фотопротеинов из другого организма для управления биохимическим путем.