В сотрудничестве с доктором. Маркус Хартманн из Института биологии развития Макса Планка и его коллеги из Университета Св. В Петербурге они обнаружили, что растения обладают сложным сенсором глутамина.
Так называемые сигнальные белки PII действуют как «измеритель топлива» для количества доступного азота, измеряя концентрацию глутамина. Эта информация затем используется растениями для точного контроля их роста.
Сигнальные белки PII являются центральными регуляторами метаболизма, которые были тщательно исследованы на бактериях командой микробиолога Карла Форчхаммера. Однако исследования этого типа белков у зеленых водорослей Chlamydomonas неожиданно показали, что для работы белков PII требуется дополнительный компонент: их сигнальная функция тесно связана с уровнем глутамина. Белки PII стимулировали производство различных других аминокислот, «строительных блоков» белков, но только при высоких концентрациях глутамина. Вместе с Маркусом Хартманном микробиологи определили трехмерную структуру белков PII в этих водорослях: по сравнению с бактериальными белками PII у них есть дополнительное небольшое расширение, которое исследователи назвали «Q-петлей»."Эта маленькая петля обнаруживает и оборачивает свободные молекулы глютамина. «Только когда это расширение загружено глутамином, белок PII складывается в структуру, которая необходима для передачи сигналов и инициации последующих этапов метаболизма», — объясняет доктор.
Васуки Челламуту, ведущий автор исследования.
На следующем этапе исследователи хотели выяснить, является ли эта дополнительная черта уникальной для зеленых водорослей Chlamydomonas или же она является общей для растений. С помощью биоинформатических методов они проанализировали все доступные генетические схемы белков PII растений. «Оказалось, что это небольшое расширение присутствует во всех белках PII растений, от зеленых водорослей до мхов и вплоть до риса и других цветущих растений», — заявляют Маркус Хартманн и Карл Форчхаммер. Расширение Q-Loop вырождается только в одном семействе растений: крестоцветных. «Любопытно, что Arabidopsis thaliana, или кресс-салат, важный модельный организм в исследованиях растений, принадлежит к этому семейству и, следовательно, к исключениям», — добавляют они.
Соответствующий белок PII в кресс-салате на самом деле не зависит от глутамина. Однако, когда исследователи искусственно добавили интактное удлинение Q-петли от белка водорослей к белку кресс-салата в лабораторных тестах, ответ на глутамин был восстановлен, что подтвердило функциональную роль Q-петли.
Целенаправленно изменяя белки PII в растениях, можно влиять на образование определенных продуктов метаболизма. «Еще неизвестно, окажет ли открытие датчика азота значительное влияние на селекцию растений», — говорит Форчхаммер. Но открытие уже преподало нам урок эволюции. Датчик азота — это пример того, как новые свойства могут появиться на основе существующих компонентов.
Хлоропласты изначально были цианобактериями, которые мигрировали в клетки. Эти бактерии обладали сигнальными белками PII без расширения. Однако на растении возникла необходимость напрямую измерять доступность азота для метаболического контроля.
Поэтому было добавлено расширение, и передача сигнала была связана с уровнем глутамина. Эта черта была настолько полезной, что передалась всем потомкам в царстве растений и — за некоторыми исключениями — существует по сей день.
