Белки теплового шока и выживание растений

Синтез БТШ.

Растения, как и другие живые организмы, отвечают на внезапное повышение температуры быстрой активацией небольшой группы генов, кодирующих белки теплового шока. Система БТШ — очень древняя и консервативная. Она возникла задолго до появления на Земле зеленых растений. Функция БТШ у прокариот заключается в обеспечении выживания индивидуальной клетки при экстремальных температурах. Растения же, как правило, состоят из огромного количества клеток, каждая из которых, подобно прокариотическим клеткам, отвечает на гипертермию индукцией экспрессии генов теплового шока и тем самым запускает программу собственного выживания. Интересно, что растение как целый организм не может контролировать работу системы теплового шока в собственных клетках. Это означает, что БТШ в растении ведут себя так, как если бы они функционировали в изолированной клетке, а не в составе многоклеточного организма.

Повышение температуры среды обитания на 10—15°С по сравнению с ее оптимальной величиной для данного вида инициирует полное перепрограммирование метаболизма. Это перепрограммирование обеспечивает поддержание жизни клетки в жестких аварийных условиях. Оно заключается в синтезе БТШ и отключении биохимических путей, исключающих выживание при гипертермии.

Растения отвечают на тепловой шок очень быстрой индукцией экспрессии генов теплового шока и массированным синтезом кодируемых ими белков. Так, мРНК белков теплового шока обнаруживаются в клетках уже через 3—5 мин после повышения температуры, а сами белки — через 10—15 мин. Максимальное же содержание БТШ наблюдается через 0,5—3,5 ч. При этом каждая клетка синтезирует десятки тысяч копий различных молекул белков теплового шока. Затем количество их начинает уменьшаться. Это означает, что синтез БТШ имеет кратковременный (транзиторный) характер.

Транзиторный характер новообразования БТШ наблюдается лишь при нелетальном повышении температуры. Одновременно с торможением работы системы теплового шока восстанавливается нормальный клеточный метаболизм, но уже адаптированный для работы в новых условиях. При летальном повышении температуры функционирование системы теплового шока нарушается, что свидетельствует о быстрой гибели организма. Следовательно, белки теплового шока, временно защищая организм от гибели, создают условия для его последующей долговременной адаптации.

В настоящее время выделяют пять групп белков теплового шока, которые обозначаются по молекулярным массам их основных компонентов: БТШ-90, БТШ-70, БТШ-60,~БТШ-20 и БТШ-8,5. Большинство этих белков удивительно консервативны. Так, например, БТШ-70 кукурузы, дрозофилы и человека идентичны (от лат. Мепйсиь — одинаковый) на 75%. Все БТШ кодируются мультигенными семействами, которые содержат до 10 и более генов. Главным отличием системы белков теплового шока растений по сравнению с другими организмами является многокомпопентность и сложность состава низкомолекулярных (15—30 кДа) полипептидов, негомологичных соответствующим БТШ других организмов. Именно с функционированием низкомолекулярных БТШ связывают защитную роль данной системы в растениях. БТШ локализуются в ядре, цитозоле, клеточных органеллах и функционируют в клетках в виде высокомолекулярных комплексов.

Система БТШ достаточно специфична по отношению к высокой температуре. Синтез всех белков теплового шока происходит лишь при повышении температуры, хотя отдельные компоненты этой системы синтезируются и в ответ на действие стрессоров другой природы. Например, в дрозофиле свыше 100 разных факторов индуцируют синтез индивидуальных БТШ. В растениях сои транскрипция гена одного из низкомолекулярных БТШ увеличивалась в 5—10 раз в ответ на действие не только теплового, но и солевого шока, ионов тяжелых металлов, ингибиторов окислительного фосфорилирования и высоких концентраций гормонов.

Механизмы, обеспечивающие максимальную скорость синтеза БТШ. Непременным условием выживания организма при повреждающем действии высокой температуры является максимальная скорость активации генов теплового шока и синтеза кодируемых ими белков. Как же организм решает эту проблему?

Известно, что гены эукариот состоят из экзонов и нитронов. Самым медленным этапом экспрессии генов в эукариотических клетках является сплайсинг. Чтобы обеспечить максимальную скорость экспрессии генов теплового шока и тем самым увеличить вероятность выживания организма в экстремальных условиях, необходимо до минимума сократить время, затрачиваемое клеткой на сплайсинг мРНК. Для решения этой проблемы эволюция пошла самым радикальным путем, вообще удалив интроны из генов теплового шока, исключив тем самым необходимость сплайсинга. Поэтому гены теплового шока принадлежат к немногочисленной группе эукариотических генов, скорость экспрессии которых является максимальной.

Высокая скорость индукции экспрессии генов теплового шока при гипертермии обусловлена также очень эффективным механизмом их активации в ответ на повышение температуры (рис. 9.2). Как видим из представленной схемы, каждый ген теплового шока содержит в своей промоторной области регуляторный фрагмент, так называемый элемент теплового шока (ЭТШ), являющийся мишенью для регуляторного белка — трансфактора, называемого фактором теплового шока (ФТШ). При нормальной температуре ФТШ неактивен и как мономер образует комплекс с соответствующим белком теплового шока. При повышении температуры этот комплекс диссоциирует, и ФТШ приобретает способность образовывать тримерную структуру. В форме тримера фактор теплового шока приобретает способность узнавать регуляторную область в промоторе соответствующего гена и связываться с ней. После связывания с элементом теплового шока тримерная структура фактора фосфорилируется, что позволяет ей инициировать транскрипцию гена теплового шока, приводящую к синтезу соответствующей мРНК и последующему новообразованию кодируемого ею белка.

Вновь синтезированные БТШ связываются с соответствующими ФТШ, пока еще соединенными с промотором гена. Затем весь комплекс диссоциирует, каждый мономер фактора теплового шока связывается с соответствующим белком и находится в этом состоянии до нового повышения температуры.

Рис. 9.2. Индукция экспрессии гена БТШ-70¹:

ЭТИ! — элемент теплового шока; ФТШ — фактор теплового шока;

ПК — протеинкиназа; Ф_н — фосфат неорганический; 1 — комплекс ФТШ с БТШ-70;

• 2 — освобождение ФТШ от БТШ-70 при повышении температуры с образованием комплекса из трех ФТШ; 3 — триплет ФТШ узнает ЭТШ; 4 — один из ФТШ фосфорилируется протеинкииазой, что инициирует экспрессию гена ТШ;
• 5 — на мРНК синтезируются БТШ-70; 6 — БТШ-70 связываются с ФТШ.

Это приводит к диссоциации комплекса ФТШ и БТШ; 7 — триплет ФТШ распадается до очередного повышения температуры.

Получение энергии для синтеза БТШ. При действии экстремальной температуры растение находится на пределе своих функциональных, структурных и энергетических возможностей. Для выживания в этих условиях необходимы максимально быстрая мобилизация и формирование защитных систем, что невозможно без соответствующего энергообеспечения. Особенно много энергии требуется для быстрого новообразования большого числа молекул БТШ. Однако при повреждающем действии высокой температуры АТФ используется не только для образования защитных белков, но и для поддержания основных жизненных функций клетки. Следовательно, в этих условиях идет жесткая конкуренция за АТФ между аварийными защитными системами и нормальным клеточным метаболизмом.

Исчерпав имеющиеся в клетке энергетические ресурсы (дыхательный субстрат, восстановленные коферменты), растение переходит к быстрому и эффективному отключению нормальных метаболических путей, не лими-^[1]

тирующих выживание организма в экстремальных условиях. Роль биологических выключателей различных биохимических процессов выполняют короткоживущие скорость-лимитирующие ферменты. Так, например, перенесение зародышей куколя с 30 на 45 °C вызывает блокирование ассимиляции неорганического азота. Это происходит за счет:

• 1) ингибирования транскрипции гена нитратредуктазы — ключевого фермента ассимиляции нитрата;
• 2) разрушения имеющихся мРНК, необходимых для синтеза этого фермента;
• 3) полной инактивации существующих в клетке молекул нитратредуктазы (рис. 9.3).

Частичное ингибирование нормального клеточного метаболизма на фоне интенсивного повреждения является одним из необходимых условий выживания. Столь жесткая экономия энергетических ресурсов позволяет клетке синтезировать огромное количество белков теплового шока. Попытаемся далее понять, как БТШ защищают клетку от гибели.

Рис. 9.3. Блокирование высокой температурой экспрессии гена нитратредуктазы Функции БТШ. Синтез белков теплового шока в ответ на повышение температуры сопровождается, как правило, повышением термоустойчивости организма. Установлено, например, что клетки Е. coli или дрожжей, дефектные по одному или нескольким генам теплового шока, погибают при более низких температурах по сравнению с клетками дикого типа. Меньшую устойчивость к высокой температуре имеют также клетки растений, которые синтезируют БТШ с нарушенной структурой. Нарушение структуры БТШ происходит, если во время их синтеза обычные аминокислоты заменяются на испорченные. Напротив, трансгенные организмы, способные к новообразованию больших количеств индивидуальных БТШ, как правило, оказываются более устойчивыми, хотя из этого правила есть некоторые исключения.

В настоящее время защитная роль практически всех групп БТШ описывается моделью молекулярного шаперона (от фр. chaperon — нянька). Это название очень точно отражает суть защитной роли БТШ. Предполагается, что в экстремальных условиях БТШ в индивидуальном порядке «опекают» функционирование конкретных макромолекул, мембран, клеточных структур, освобождают клетки от поврежденных компонентов, что и позволяет поддерживать клеточный гомеостаз.

В соответствии с этой моделью БТШ повышают термоустойчивость клеток, обеспечивая следующие процессы:

• — АТФ-зависимую стабилизацию нативной пространственной структуры белков, необходимую для проявления их биологической активности;
• — правильную сборку олигомерных структур в условиях гипертермии;
• — стабилизацию при стрессе ферментов и мРНК, участвующих в синтезе белков нормального клеточного метаболизма;
• — транспорт веществ через мембраны, например хлоропластов и митохондрий;
• — дезагрегацию неправильно собранных макромолекулярных комплексов;
• — освобождение клетки от денатурированных макромолекул и реутилизацию входивших в них мономеров с помощью убиквитииов.

Убиквитины — это целый класс низкомолекулярных белков теплового шока, выполняющих в клетке роль санитаров. Экспрессия генов убиквитинов индуцируется, подобно генам других БТШ, в ответ на внезапное повышение температуры. Они обладают уникальной способностью безошибочно распознавать белки с нарушенной структурой и метить их, после чего помеченные макромолекулы разрушаются с помощью так называемых протеасом. Протеасома представляет собой сложный белковый комплекс, осуществляющий убиквитинзависимую деградацию белков цитоплазмы и нуклеоплазмы. Механизм действия убиквитиновой системы у растений крайне сложен и требует участия ряда дополнительных белковых молекул. Убиквитины имеются лишь в эукариотических клетках. Однако в клетках прокариот также обнаружены индивидуальные БТШ, обладающие протеолитическими свойствами. Это свидетельствует о важности данной системы для выживания организма в экстремальных условиях.

Таким образом, если анатомические и физиологические приспособления, возникшие у растения в процессе филогенеза, не могут защитить его от экстремальной температуры, то выживание растения в первый момент повреждающего действия будет определяться почти исключительно скоростью и эффективностью синтеза белков теплового шока. Однако БТШ защищают клетки лишь в течение очень ограниченного времени. Синтез БТШ имеет выраженный кратковременный характер. Длительный синтез БТШ невозможен из-за крайне высокой энергоемкости этого процесса. Белки теплового шока, предотвращая быструю гибель организма, создают тем самым условия для формирования более совершенных долговременных механизмов адаптации.

Контрольные вопросы

• 1. Какие температуры наиболее благоприятны для цветковых растений?
• 2. На какие группы делят организмы по требованию к температурам?

• 3. Что такое жароустойчивость (термотолерантность)?
• 4. Какие организмы называются пойкилотермными?
• 5. Может ли температура растения быть выше температуры окружающего воздуха?
• 6. Как влияет повышенная температура на клеточные мембраны, фотосинтез и дыхание, водный обмен клетки?
• 7. Какие приспособления к действию повышенных температур возникли у растений в течение эволюции (филогенеза)?
• 8. Что представляют собой белки теплового шока?
• 9. Какие механизмы обеспечивают максимальную скорость их синтеза?
• 10. Откуда клетка получает энергию для синтеза БТШ?
• 11. Как БТШ защищают клетки от действия высоких температур?

• [1] См.: Regulation of heat shock gene transcription by a family of heat shock factors /R. I. Morimoto [et al.] // The Biology of Heat Shock Proteins and Molecular Chaperones / by ed.R. I. Morimoto, A. Tissieres and C. Georgopoulos. N. Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1994. P.417−455.