Systemin

Введение

Растительный пептидный гормон [[Файл:Структуры систем. png 173thumb 173px 173px Строения и прогнозируемые структуры системин, HypSys и AtPeps выделили полипептид из 18 аминокислот из листьев помидоров, который индуцировал выработку белков-ингибиторов протеазы (PI) в ответ на ранение. Эксперименты с использованием синтетических радиомаркированных форм полипептида показали, что он способен систематически проникать через растение и индуцировать производство ПИ в нерастроенных листьях. Из-за системной природы сигнала ранения, он был назван системин, это был первый полипептид, который функционировал как гормон в растениях. МРНК, кодирующая систем, содержится во всех тканях растения, кроме корней. В последующих исследованиях были выявлены гомологи томатного системина у других членов семейства Соланацеев, включая картофель, черный солод и перцы. Хотя они структурно не связаны с системинами, их схожая функция привела к тому, что они были названы системинами, богатыми гидроксипролином (HypSys). После первоначального открытия другие пептиды HypSys были обнаружены в помидорах, петунии и черной соломинке. В 2007 году HypSys были обнаружены вне Solanaceae, в сладком картофеле (Ipomoea batatas) и анализ последовательности идентифицировал аналоги HypSys в тополе (Populus trichocarpa) и кофе (Coffea canephora). Системины очень консервативны между видами, тогда как HypSys более разнообразны, но все содержат консервативный пролин или богатый гидроксипролином центральный домен. В 2006 году из Arabidopsis thaliana был выделен полипептид AtPEP1, содержащий 23 аминокислоты, который, как было установлено, активирует компоненты врожденного иммунного ответа. В отличие от HypSys, AtPEP1 не модифицируется после трансляции гидроксилированием или гликозилированием. В A. thaliana было выявлено шесть параллогов прекурсора, а также ортологи в винограде, рисе, кукурузе, пшенице, ячмене, рапсе, соевых бобах, медикаго и тополе, хотя активность этих ортологов не была проверена в анализах. Прогнозируемые структуры параллогов AtPEP1 варьируются в A. thaliana, но все они содержат SSGR/KxGxxN последовательность мотивов. Ортологи, идентифицированные у других видов, более разнообразны, но все еще содержат компоненты последовательности.

Plant peptide hormone

[[File:Systemin structures. png|thumb|238px|Structures and predicted structures of systemins, HypSys and AtPeps isolated an 18 amino acid polypeptide from tomato leaves that induced the production of protease inhibitor proteins (PIs) in response to wounding. Experiments using synthetic radio labelled forms of the polypeptide demonstrated that it was able to travel systemically through the plant and induce PI production in unwounded leaves. Because of the systemic nature of the wounding signal, it was named systemin, it was the first polypeptide found to function as a hormone in plants. mRNA encoding for systemin is found in all tissues of the plant except the roots. Later studies identified homologs of tomato systemin in other members of the Solanaceae including potato, black nightshade and bell pepper. Although they are structurally unrelated to systemins, their similar function resulted in them being named hydroxyproline rich systemins (HypSys). Following the initial discovery other HypSys peptides were found in tomato, Petunia and black nightshade. In 2007, HypSys were found outside the Solanaceae, in sweet potato (Ipomoea batatas) and sequence analysis identified HypSys analogs in poplar (Populus trichocarpa) and coffee (Coffea canephora). Systemins are highly conserved between species, whereas HypSys are more divergent but all contain a conserved proline or hydroxyproline rich central domain. In 2006, AtPEP1, a 23 amino acid polypeptide was isolated from Arabidopsis thaliana, which was found to activate components of the innate immune response. Unlike HypSys, AtPEP1 is not post translationally modified by hydroxylation or glycosylation. Six paralogs of the precursor have been identified in A. thaliana as well as orthologs in grape, rice, maize, wheat, barley, canola, soybean, medicago and poplar, although the activity of these orthologs has not been tested in assays. The predicted structures of the paralogs of AtPEP1 are varied within A. thaliana but all contain a SSGR/KxGxxN sequence motif. The orthologs identified in other species are more varied but still contain components of the sequence motif.

Локализация и прекурсоры

Системин и AtPEP1 находятся в цитозоле клетки. Предшественник томатного системина транскрибируется в виде полипептида из 200 аминокислот. Прекурсор AtPEP1 представляет собой полипептид из 92 аминокислот, а также не имеет сигнальной последовательности. Структурные свойства HypSys, содержащих гидроксипролин и гликозилированных, указывают на то, что они синтезируются через секреторную систему.

Обработка прекурсоров

Прекурсоры системина и AtPEP1 обрабатываются для получения одного активного пептида из конца C прекурсора. Прекурсоры HypSys обрабатываются в более чем один активный пептид. В табаке он обрабатывается в два пептида, в петунии - в три, а в сладком картофеле - в шесть. Прекурсор HypSys в сладком картофеле длиной 291 аминокислоты является самым длинным из описанных прекурсоров. Рецептор томатного системина был идентифицирован как 160KDa лейцин-богатый повторяющийся рецептор, похожий на киназу (LRR RLK), SR160. После выделения было обнаружено, что он был очень похож по структуре на BRI1 из A. thaliana, рецептор, к которому брассинолиды связываются на клеточной мембране. Это был первый рецептор, который был способен связывать как стероид, так и пептидный лиганд, а также участвовать как в защитных, так и в развивающих реакциях. Дальнейшее исследование показало, что связывание системина с BRI1 не вызывает фосфорилирование рецептора, как при связывании брассинолидов, что предполагает, что он не передает сигнал. Когда BRI1 заглушается в помидорах, растения имеют аналогичный фенотип к мутантам cu3, но все же способны нормально реагировать на системин, укрепляя мнение, что BRI1 не является рецептором системина. В 1994 году было обнаружено, что томатный системин связывается с белком 50KDa в клеточной мембране томата. Белок имеет структуру, аналогичную протеазам Kex2p, подобным прогормоновым конвертазам. Это привело Шаллера и Райана к предположению, что это не рецептор, а участвует в обработке ProSys в активную форму или деградации Sys. Синтетические формы томатного системина с замещенными аминокислотами в предполагаемом месте дибазического расщепления оставались стабильными в клеточных культурах дольше, чем натуральная форма. В последующих исследованиях было отмечено, что ферменты, ответственные за обработку ProSys, остаются неизвестными. BRI1-ассоциированный рецептор-киназа 1 (BAK1) является LRR RLK, обнаруженным в A. thaliana, который, как предполагается, функционирует как адапторный белок, необходимый для правильного функционирования других RLK. Два гибридных анализа дрожжей показали, что AtPEPR1 и его ближайший аналог, AtPEPR2, взаимодействуют с BAK1.

The precursors for systemin and AtPEP1 are both processed to yield one active peptide from the C terminus of the precursor. The precursors to HypSys are processed into more than one active peptide. In tobacco, it is processed into two peptides, in petunia into three, and in sweet potato, possibly into six. At 291 amino acids long, the precursor to HypSys in sweet potato is the longest precursor described. A receptor for tomato systemin was identified as a 160KDa leucine rich repeat receptor like kinase (LRR RLK), SR160. After being isolated it was found that was very similar in structure to BRI1 from A. thaliana, the receptor that brassinolides bind to on the cell membrane. This was the first receptor which was found to be able to bind both a steroid and a peptide ligand and also to be involved in both defensive and developmental responses. Further investigation showed that binding of systemin to BRI1 does not cause the receptor to become phosphorylated, as when brassinolides bind, suggesting that it does not transduce a signal. When BRI1 is silenced in tomato, the plants have a similar phenotype to cu3 mutants yet are still able to respond normally to systemin, strengthening the view that BRI1 is not the systemin receptor. In 1994, tomato systemin was found to bind to a 50KDa protein in the cell membrane of tomato. The protein has a structure similar to proteases of the Kex2p like prohormone convertases. This led Schaller and Ryan to suggest that it is not a receptor, but instead is involved in the processing of ProSys into the active form, or the degradation of Sys. Synthetic forms of tomato systemin, with substituted amino acids at the predicted dibasic cleavage site, remained stable in cell cultures for longer than the native form. Later studies have noted that the enzymes responsible for processing ProSys remain unidentified. BRI1 associated receptor kinase 1 (BAK1) is an LRR RLK found in A. thaliana, which has been proposed to function as an adaptor protein that is required for the proper functioning of other RLKs. Yeast two hybrid assays have shown that AtPEPR1 and its closest analog, AtPEPR2, interact with BAK1.

Трансдукция сигнала

[[Файл:Сигнализация системы. Предлагаемая система передачи сигналов для систем. Приглушение двух MAPK, MPK1 и MPK2, в помидорах снижает их защитную реакцию против личинок насекомых по сравнению с дикими растениями. Приглушение этих генов также снижает выработку жасмонической кислоты и генов защиты, зависящих от жасмонической кислоты. Применение метил-жасмоната на растениях с косиленцией спасло их, указывая на то, что ясмонаты являются сигналом, ответственным за вызывание изменений в экспрессии генов. В течение нескольких минут после восприятия системой, цитозольная концентрация Ca2+ увеличивается, и линоленовая кислота высвобождается из клеточных мембран после активации фосфолипазы. Линоленовая кислота затем превращается в жасмоновую кислоту через октадеканоидный путь, и жасмоновая кислота активирует защитные гены. Ранние эксперименты с радиоактивным системином в помидорах показали, что он транспортируется через флоемный сок в помидорах, и поэтому считалось, что это системный сигнал, который активирует системную приобретенную резистентность. Однако постоянная активация просистемина является дорогостоящей, влияя на рост, физиологию и репродуктивный успех томатных растений. Когда системин был подавлен, производство ингибиторов протеазы в помидорах было серьезно нарушено, и личинки, питающиеся растениями, росли в три раза быстрее. HypSys вызвал аналогичные изменения в экспрессии генов табака, например, активность полифенолоксидазы увеличилась в десять раз в табачных листьях, а ингибиторы протеазы вызвали 30% снижение активности химотирпсина в течение трех дней после травмы. Концентрация перекиси водорода увеличивается в сосудистых тканях при индуцировании выработки системина, HypSys или AtPep1, что также может быть связано с началом системной приобретенной резистентности. Томатные растения, экспрессирующие больше системина, также накапливали HypSys, но не если прекурсор системина был заглушен, что указывает на то, что в томатах HypSys контролируется системином. Каждый из трех пептидов HypSys в помидорах способен активировать синтез и накопление ингибиторов протеазы. При применении через разрезанные лепестки в петунии, HypSys не индуцировал выработку ингибиторов протеазы, а вместо этого увеличил экспрессию дефензина, гена, который вырабатывает белок, который вставляется в микробиологические мембраны, образуя поры. Системин также повышает экспрессию генов, участвующих в производстве биологически активных ЛОС. Такой ответ имеет решающее значение, если противопожарная защита должна быть эффективной, поскольку без хищников развивающиеся насекомые будут потреблять больше растительного материала, завершая свое развитие. Вероятно, что выработка ЛОС регулируется вверх по различным путям, различные AtPeps могут позволить A. thaliana различать различные патогены. При инъекции грибком, оомицетом и бактерией увеличение экспрессии AtPep варьировалось в зависимости от возбудителя. A. thaliana с перевыражением AtProPep1 была более устойчивой к oomycete Phythium irregulare. В отличие от HypSys, они были регулируемы и активировали синтез ингибиторов протеазы. Когда просистемин был экспрессирован в помидорах, у трансгенных растений была более низкая стоматологическая проводимость, чем у нормальных растений. При выращивании в солевых растворах трансгенные растения имели более высокую стоматологическую проводимость, более низкую концентрацию абсцисной кислоты и пролина в листьях и более высокую биомассу. Эти результаты свидетельствуют о том, что системин либо позволил растениям более эффективно адаптироваться к солевому стрессу, либо они воспринимали менее стрессовую среду.

[[File:Sytemin signalling. png|thumb|Proposed system of signal transduction for systemin. Cosilencing of two MAPKs, MPK1 and MPK2, in tomato compromised their defence response against insect larvae compared to wild type plants. Cosilencing these genes also decreased production of jasmonic acid and of jasmonic acid dependent defence genes. Applying methyl jasmonate to cosilenced plants rescued them, indicating that jasmonates are the signal responsible for causing changes in gene expression. Within minutes of systemin perception, the cytosolic Ca2+ concentration increases, and linolenic acid is released from cell membranes after a phospholipase has been activated. Linolenic acid is then converted to jasmonic acid via the octadecanoid pathway and jasmonic acid activates defensive genes. Early experiments with radiolabelled systemin in tomato demonstrated that it is transported through the phloem sap in tomato plants and was therefore thought to be the systemic signal that activated systemic acquired resistance. However, the continuous activation of prosystemin is costly, affecting the growth, the physiology and the reproductive success of tomato plants. When systemin was silenced, production of protease inhibitors in tomato was severely impaired and larvae feeding on the plants grew three times as fast. HypSys caused similar changes in gene expression in tobacco, for example polyphenol oxidase activity increased tenfold in tobacco leaves and protease inhibitors caused a 30% decrease in chymotrypsin activity within three days of wounding. The concentration of hydrogen peroxide increased in the vasculature tissues when the production of systemin, HypSys or AtPep1 is induced, this may also be involved in initiating systemic acquired resistance. Tomato plants over expressing systemin also accumulated HypSys but did not if the systemin precursor was silenced, indicating that in tomato, HypSys is controlled by systemin. Each of the three HypSys peptides in tomato is able to activate the synthesis and accumulation of protease inhibitors. When applied through cut petioles in Petunia, HypSys did not induce the production of protease inhibitors, but instead increased expression of defensin, a gene which produces a protein that inserts into microbial membranes, forming a pore. Systemin also upregulates the expression of genes involved in the production of biologically active VOCs. Such a response is crucial if antinutritional defences are to be effective, since without predators, developing insects would consume more plant material while completing their development. It is likely that VOC production is upregulated through different pathways,

Different AtPeps may allow A. thaliana to distinguish between different pathogens. When inoculated with a fungus, oomycete and a bacterium, the increases in AtPep expression varied depending on the pathogen. A. thaliana overexpressing AtProPep1 was more resistant to the oomycete Phythium irregulare. By contrast HypSys were up regulated and activated the synthesis of protease inhibitors. When prosystemin was over expressed in tomato, transgenic plants had lower stomatal conductance than normal plants. When grown in salt solutions, transgenic plants had higher stomatal conductances, lower leaf concentrations of abscisic acid and proline and a higher biomass. These findings suggest that systemin either allowed the plants to adapt to salt stress more efficiently or that they perceived a less stressful environment.

Разработка

Известно, что у Nicotiana attenuata HypSys не участвует в защите от травоядных насекомых. Заглушение и переэкспрессия HypSys не влияют на питательные показатели личинок по сравнению с нормальными растениями. Бергер заставил HypSys замолчать и обнаружил, что это вызвало изменения в морфологии цветов, которые снизили эффективность самоопыления. Цветы имели штильцы, выступающие за пределы их антер, аналогичный фенотип CORONATINE INSENSITIVE1 замолчали растения, которые не имеют рецептора жасмоната. Измерение содержания жасмоната в цветах показало, что оно ниже, чем у обычных растений. Авторы предположили, что пептиды HypSys в N. attenuata диверсифицировались от своей функции как пептиды, связанные с обороной, до участия в контроле морфологии цветов. Однако сигнальные процессы остаются схожими, поскольку они опосредуются через ясмонати. Системин также увеличивает рост корней в Solanum pimpinellifolium, что предполагает, что он также может играть определенную роль в развитии растений.