Szlak sygnałowy etylenu

Struktura chemiczna etylenu.

Etylenowy szlak sygnałowy to transdukcja sygnału w komórkach roślinnych w celu regulacji ważnych procesów wzrostu i rozwoju. Działając jako hormon roślinny , etylen jest odpowiedzialny za kiełkowanie nasion , dojrzewanie owoców, otwieranie kwiatów, opadanie ( lub zrzucanie) liści i reakcje stresowe. Jest to najprostszy alkenowy i pierwsza gazowa cząsteczka, która odkryto, że działa jako hormon.

Większość wiedzy na temat transdukcji sygnału etylenu pochodzi z badań nad Arabidopsis thaliana . Etylen może wiązać się z co najmniej pięcioma różnymi receptorami błonowymi. Chociaż strukturalnie zróżnicowane, wszystkie receptory etylenu wykazują podobieństwo ( homologię ) do dwuskładnikowego układu regulacyjnego u bakterii, co wskazuje na ich wspólne pochodzenie od bakteryjnego przodka. Etylen wiąże się z receptorami na błonie komórkowej retikulum endoplazmatycznego . Chociaż homodimery receptorów są wymagane do stanu funkcjonalnego, tylko jedna cząsteczka etylenu wiąże się z każdym dimerem.

W przeciwieństwie do innych transdukcji sygnału, etylen jest supresorem aktywności receptora. Receptory etylenowe są aktywne bez etylenu z powodu wiązania z innymi enzymatycznie aktywnymi koreceptorami, takimi jak konstytutywna potrójna odpowiedź 1 (CTR1) i niewrażliwa na etylen 2 (EIN2). Wiązanie etylenu powoduje rozszczepienie EIN2 na dwie części, z których C-końcowa część białka może aktywować różne czynniki transkrypcyjne , wywołując efekty etylenu. Istnieje również niekanoniczny szlak, w którym etylen aktywuje receptor cytokininy , a tym samym reguluje rozwój nasion ( otwór szparkowy ) i wzrost korzenia ( merystem wierzchołkowy ).

Receptory etylenowe

Izoformy receptora etylenu u Arabidopsis thaliana .

Etylen wiąże się z nim swoistym receptorem transbłonowym obecnym na błonie komórkowej retikulum endoplazmatycznego. Istnieją różne izoformy receptora etylenu . W Arabidopsis thaliana znanych jest pięć izoform , które są nazywane odpowiedzią / receptorem etylenu 1 (ETR1), czujnikiem odpowiedzi 1 etylenu (ERS1), ETR2, ERS2 i niewrażliwym na etylen 4 (EIN4). ETR1 jest podobny ( konserwowana sekwencja ) w różnych roślinach, ale z niewielkimi różnicami aminokwasowymi. Receptory A. thaliana są podzielone na dwie podrodziny w oparciu o pokrewieństwo genetyczne i wspólne cechy strukturalne, a mianowicie podrodzinę 1, która obejmuje ETR1 i ERS1, oraz podrodzinę 2, która składa się z ETR2, ERS2 i EIN4. W pomidorach istnieje siedem rodzajów receptorów etylenowych o nazwach SlETR1, SlETR2, SlETR3, SlETR4, SlETR5, SlETR6 i SlETR7 (Sl dla Solanum lycopersicum , naukowiec zajmujący się pomidorami).

Wszystkie receptory etylenu mają podobną organizację: krótką domenę N-końcową, trzy konserwowane domeny transbłonowe w kierunku N-końca, następnie domenę GAF o nieznanej funkcji, a następnie motywy wyjściowe sygnału w regionie C-końcowym. N-koniec jest wystawiony na światło retikulum endoplazmatycznego, a C-koniec, który jest wystawiony na działanie cytoplazmy komórki. N-koniec zawiera miejsca wiązania etylenu, dimeryzacji i lokalizacji błony. Dwa podobne receptory łączą się, tworząc homodimer poprzez mostek dwusiarczkowy , tworząc interakcję cysteina-cysteina. Jednak główna lokalizacja błony jest dokonywana przez domenę transbłonową, która może również wiązać etylen za pomocą miedzi jako kofaktora . Jon miedzi jest dostarczany przez transbłonowe białko reagujące na antagonistę 1 (RAN1) z białka przeciwutleniającego 1 (ATX1) przez tiplin lub bezpośrednio przez białko transportujące miedź.

Chociaż receptory są funkcjonalnie aktywne jako dimery, tylko jeden jon miedzi wiąże się z takim dimerem, co wskazuje, że jeden dimer receptora wiąże tylko jedną cząsteczkę etylenu. Mutacje w miejscach wiązania zatrzymują wiązanie etylenu, a także powodują, że rośliny są niewrażliwe na etylen. Cys-65 w białkowej helisie 2 jest szczególnie ważna jako miejsce wiązania jonu miedzi, ponieważ mutacja w nim zatrzymuje wiązanie miedzi i etylenu. C-koniec jest w zasadzie dwuskładnikowym układem bakteryjnym z aktywnością kinazy i regulatorem odpowiedzi. ETR1 ma kinazy histydynowej , podczas gdy ETR2, ERS2 i EIN4 mają aktywność kinazy serynowo-treoninowej , a ERS1 ma obie. Kinaza histydynowa w ETR1 nie jest wymagana do sygnalizacji etylenu.

Pochodzenie i ewolucja

Receptory etylenowe są funkcjonalnie podobne do dwuskładnikowego układu bakteryjnego, który ma dwa miejsca aktywacji zwane regulatorem odpowiedzi i kinazą histydynową. Cytoplazmatyczna część karboksy-końcowa receptora etylenowego ma podobną sekwencję aminokwasów do tych regulatorów odpowiedzi i kinazy histydynowej u bakterii; chociaż region N-końcowy jest zupełnie inny. Takie powiązania genetyczne i białkowe wskazują, że receptory i dwuskładnikowe receptory bakteryjne, a także fitochromy i receptory cytokinin u roślin wyewoluowały i zostały nabyte przez rośliny z cyjanobakterii , która dała początek plastydom , organelli władzy u roślin i protistów.

Analiza filogenetyczna pokazuje również wspólne pochodzenie receptora etylenu u roślin i domeny wiążącej etylen u sinic. W 2016 roku Randy F. Lacey i Brad M. Binder z University of Tennessee odkryli, że sinica Synechocystis sp. PCC 6803 odpowiada na sygnał etylenu i ma funkcjonalny receptor etylenu, który nazwali Synechocystis Ethylene Response1 (SynEtr1). Ponadto wykazali, że SynEtr1 działa podobnie do roślinnego receptora etylenu w wiązaniu etylenu, co wskazuje na pochodzenie receptora etylenu z cyjanobakterii spokrewnionej z Synechocystis . Różnica funkcjonalna polega jednak na tym, że aktywność kinazy nie jest obowiązkowa dla wiązania etylenu w roślinach, ale jest kluczową rolą SynEtr1.

Transdukcja sygnału

Etylenowy szlak sygnałowy u Arabidopsis thaliana.

Dwa białka są kluczowe dla interakcji etylenu z receptorami, a mianowicie konstytutywnej potrójnej odpowiedzi 1 (CTR1) i niewrażliwej na etylen 2 (EIN2). CTR1 jest kinazą białkową serynowo-treoninową, która działa jako negatywny regulator sygnalizacji etylenowej. Jest członkiem sygnalizacyjnej kinazy białkowej aktywowanej mitogenem (MAPK), kinazy białkowej . EIN2 jest wymagany do sygnalizacji etylenu i jest częścią rodziny transporterów metali NRAMP ( białko makrofagów związane z naturalną odpornością ); zawiera dużą, N-końcową część zawierającą wiele domen transbłonowych (EIN2-N) w błonie ER i cytozolową część C-końcową (EIN2-C). Inne białka, takie jak powrót do wrażliwości na etylen 1 (RTE1), cytochrom b5 i białko powtórzeń tetratrikopeptydu 1 (TRP1), również odgrywają ważną rolę w sygnalizacji etylenu. RTE1 jest wysoce konserwatywnym białkiem u roślin i protistów, ale nieobecnym u grzybów i prokariotów. TRP1 jest genetycznie spokrewniony z przezbłonowym i zwiniętym białkiem 1 (TCC1) u zwierząt, które bierze udział w aktyny F i konkuruje z Raf-1 o wiązanie Ras .

W przeciwieństwie do większości transdukcji sygnałów, w których ligandy aktywują swoje receptory w celu przekazywania sygnałów, etylen działa jako supresor swojego receptora, a receptor jest negatywnym regulatorem odpowiedzi etylenu. Receptor etylenowy jest aktywny przy braku etylenu. Bez etylenu receptor wiąże się z CTR1 w jego C-końcowej domenie kinazy. Aktywność kinazy CTR1 zostaje aktywowana i fosforyluje sąsiedni EIN2. Dopóki EIN2 pozostaje silnie ufosforylowany, pozostaje nieaktywny i nigdy nie ma przekaźnika sygnału etylenu. W ETR1 receptor kinazy histydynowej jest wymagany do wiązania z EIN2. RTE1 może wiązać się i aktywować ETR1 niezależnie od CTR1. Istnieją dowody na to, że cytochrom b5 pomaga lub działa podobnie do RTE1.

Wiązanie etylenu z receptorem zakłóca fosforylację EIN2. Nie powoduje żadnej szczególnej zmiany cechy strukturalnej kompleksu receptor-CTR1-EIN2 ani nie zatrzymuje fosforylacji. W rzeczywistości przy niskim poziomie etylenu dochodzi do zwiększenia kompleksów receptor-CTR1-EIN2, które następnie zmniejszają się wraz ze wzrostem poziomu etylenu. Proces rotacji nie jest jeszcze w pełni poznany. Jedyną konsekwencją wiązania etylenu jest zmniejszona fosforylacja EIN2. W takich warunkach EIN2 jest aktywowany i rozszczepiany w celu uwolnienia EIN2-C z części EIN2-N związanej z błoną. Enzym, który powoduje rozszczepienie, nie jest jeszcze znany. Rola EIN2-N jest również nieznana u A. thaliana . Jednak w ryżu jego homolog OsEIN2-N (Os jak Oryza sativa , naukowa nazwa ryżu) oddziałuje z innym białkiem, mao huzi 3 (MHZ3), którego mutacja powoduje niewrażliwość na etylen.

EIN2-C jest głównym składnikiem, który pośredniczy w sygnale etylenu w komórce. Działa na dwa sposoby. W jednym wiąże mRNA, które kodują białka F-box wiążące EIN3, EBF1 i EBF2, powodując ich degradację . W innym wchodzi do jądra, aby związać się z białkiem 1 związanym z jądrem EIN2 (ENAP1), aby regulować transkrypcyjną i translacyjną EIN3 i powiązanego czynnika transkrypcyjnego EIL1, powodując większość odpowiedzi etylenowych.