Определены структуры растительных рецепторов дыма

При сжигании растительной массы образуется дым, содержащий каррикины — биологически активные соединения группы бутенолидов. Известно, что каррикины ускоряют прорастание семян у многих видов растений. Рецепторами бутенолидов у растений служат белки группы KARRIKIN INSENSITIVE2 (KAI2). Они обеспечивают реакцию на дым, а также функционируют как α/β-гидролазы. Авторы новой работы, опубликованной в Communications Biology, определили структуры двух рецепторов этой группы, KAI2A и KAI2B, гороха посевного (Pisum sativum) в свободном и связанном с молекулой бутенолида виде. Ученые также детально изучили ферментативную активность этих белков и показали, что они, вероятно, родственны рецептору фитогормона стриголактона.

Ученые выявили в геноме гороха посевного гены рецепторов группы KAI2 PsKAI2A и PsKAI2B, а также псевдоген PsKAI2C. Для изучения функций белков, кодируемых первыми двумя генами, они получили мутантные по ним растения. Внешне такие растения мало отличались от растений дикого типа. На молекулярном уровне функциональность белков PsKAI2 можно оценить по уровню экспрессии подконтрольного им эффекторного белка DLK2: экспрессия DLK2 повышается при активации KAI2. Авторы показали, что для синтеза DLK2 на нормальном уровне необходимы оба белка KAI2. В то же время PsKAI2A и PsKAI2B различаются по специфичности к разным каррикинам.

На следующем этапе ученые работали с растениями арабидопсиса, мутантными по генам белков KAI2. У таких растений проявляется недостаточный рост гипокотиля (зародышевого стебелька). Оказалось, что этот дефект можно компенсировать, трансформируя арабидопсис геном PsKAI2A, но не PsKAI2B. Рост гипокотиля является ключевым процессом, лежащим в основе прорастания семян у ряда растений.

Авторы получили чистые белки PsKAI2A и PsKAI2B в свободном виде и в комплексе с бутенолидом, определили их структуру и сравнили ее со структурой рецепторов растительного гормона стриголактона. Сходство между сигнальными путями каррикинов и стриголактона было отмечено давно, кроме того, сами молекулы каррикинов и стриголактона имеют схожую структуру. Оказалось, что PsKAI2B очень близок к рецептору стриголактона D14, и авторы работы предположили, что D14 мог произойти от белков KAI2 через несколько промежуточных форм. Примечательно, что именно PsKAI2B, а не PsKAI2A, оказался способен гидролизовать искусственный аналог стриголактона. При этом гидролиз осуществляется иным путем, чем в случае с D14. Структурные исследования показали, что гидролиз аналога стриголактона белком PsKAI2B включает промежуточную стадию, в ходе которой каталитический остаток серина связывает остаток лиганда, а затем формирует стабильный аддукт с каталитическим остатком гистидина.

Исследование проливает свет на молекулярную основу функционирования рецепторов KAI2. В перспективе понимание взаимодействия этих рецепторов с каррикинами может повлиять на сельское хозяйство.