Исследователь из Мичиганского государственного университета держит пробирку с семенами Arabidopsis, плавающими в воде. Каждое семя может быть размером с песчинку. Кредит: Кара Хедли/Лаборатория исследований растений MSU-DOE
Исследователи из Мичиганского государственного университета обнаружили два белка, которые работают вместе, определяя судьбу клеток в растениях, сталкивающихся с определенными стрессами.
По иронии судьбы, ключевое открытие в этом исследовании, опубликованном недавно в Nature Communications, было сделано как раз в тот момент, когда руководитель проекта готовился снять стресс.
Исследователь-постдокторант Ноэлия Пастор-Кантизано ехала на автобусе в аэропорт, чтобы улететь в отпуск, когда она решила поделиться многообещающим результатом, который она помогла получить днем ранее.
«Я не хотел ждать десять дней, пока не вернусь, чтобы отправить его. На это ушло почти два года», — сказал Пастор-Кантизано, который тогда работал в лаборатории Брандицци в Исследовательской лаборатории растений MSU-DOE, или PRL.
«Вот что я помню сейчас», — сказал Пастор-Кантизано. «Я подумал: «Теперь я могу расслабиться, по крайней мере, на одну неделю».
Пастор-Кантизано работала над выявлением гена в модельном растении Arabidopsis, который мог бы контролировать реакцию растений на стрессоры, что может привести к гибели растения. Она и ее коллеги выявили белок в Arabidopsis, который, по-видимому, контролирует, будет ли растение жить или умрет в условиях стресса.
Выявление гена было только началом истории, несмотря на то, что на это ушли годы. Потребовалось еще пять лет, чтобы добраться до этой новой статьи.
Исследователи обнаружили, что белки BON-ассоциированный белок 2, или BAP2, и инозитол-требующий фермент 1, или IRE1, работают вместе, когда справляются со стрессовыми условиями — вопросом жизни и смерти для растительных клеток.
Понимание того, как функционируют эти белки, может помочь исследователям вывести растения, которые более устойчивы к условиям смерти.
Создание растений, которые более устойчивы к стрессу эндоплазматического ретикулума, или стрессу ER, имеет широкое применение в сельском хозяйстве. Если можно сделать сельскохозяйственные культуры более устойчивыми к засухе или жаре, у растений будет больше шансов выжить и процветать, несмотря на меняющийся климат.
«Исследования в нашей лаборатории подпитываются энтузиазмом и благодарностью за возможность внести важный вклад в науку», — сказала Федерика Брандицци, профессор Исследовательского фонда МГУ на кафедре биологии растений и в PRL. «Работа была титанической и стала возможной только благодаря терпению, энтузиазму и самоотверженности замечательной команды. Ноэлия была просто фантастической.»
Работа в тандеме
Внутри эукариотических клеток есть органелла, известная как эндоплазматический ретикулум, или ЭР. Он создает белки и сворачивает их в формы, которые клетка может использовать. Подобно нарезке овощей для использования в рецепте, белки должны быть сформированы в правильную форму, прежде чем их можно будет использовать.
Производство белка и способность к сворачиванию белка должны быть в равновесии, как помощник повара и шеф-повар, работающие в тандеме. Если помощник повара предоставляет повару слишком мало или слишком много ингредиентов, это нарушает равновесие на кухне.
Исследователь из Мичиганского государственного университета тщательно высевает семена Arabidopsis, помещая их в воду и бросая по одному на тарелку с субстратом для роста. После того, как семена прорастут, их можно посадить в горшок и выращивать для исследований. Кредит: Кара Хедли/MSU-DOE Plant Research Laboratory
Когда ER не может должным образом выполнять свою работу или баланс нарушается, он входит в состояние, известное как стресс ER. Клетка запускает механизм, известный как реакция развернутого белка, или UPR, чтобы решить, что делать дальше. Если проблема может быть решена, клетка инициирует меры по спасению жизни, чтобы решить проблему. Если это невозможно, клетка начинает отключаться, заканчивая свою и, возможно, жизнь растения.
Было известно, что фермент IRE1 отвечает за управление механизмами, которые либо спасут клетку, либо убьют ее.
Но что призывает IRE1 к действию?
В этом исследовании исследователи из лаборатории Брандиззи искали главный регулятор этих способствующих смерти процессов, известных как запрограммированная клеточная смерть.
«У меня возникла эта идея, потому что я прочитал, что синдром раздраженного кишечника связан с мутацией в гене, контролируемом IRE1, которая встречается у людей», — сказал Брандиззи. «Люди разнообразны, и растения тоже. Поэтому я подумал, что стоит рассмотреть разнообразие растений как источник новых важных открытий в UPR».
Исследователи начали с изучения сотен образцов или растений одного вида, но специфичных для одной местности. Например, растение, которое растет в Колумбии, будет иметь генетические вариации с тем же видом растения, которое растет в Испании, и то, как каждое из них реагирует на стрессовые условия, может отличаться.
Они обнаружили обширные вариации в реакции на стресс ER между различными образцами. Взяв образцы, ответы которых были наиболее непохожими, они попытались определить различия в их геномах. Вот где в игру вступил кандидат гена BAP2.
«Мы обнаружили, что BAP2 реагирует на стресс ER», — сказал Пастор-Кантизано, который в настоящее время является постдоком в Университете Валенсии. «И самое крутое, что он способен контролировать и изменять активность IRE1. Но IRE1 также способен регулировать экспрессию BAP2».
BAP2 и IRE1 работают вместе, сигнализируя друг другу, какой курс действий лучше для клетки. Наличие одного без другого приводит к гибели растения, когда гомеостаз ER разбалансирован.
Семь лет
От начала до конца этот проект занял более семи лет самоотверженной работы.
День за днем исследователи тратили свое время на утомительное размещение семян на чашках со средой, в которой они могли расти. Семена Arabidopsis не намного больше песчинок в самом маленьком размере, поэтому это была тонкая работа, требующая времени и внимания.
После этого исследователи провели еще несколько месяцев с этими растениями, изучая потомство и определяя, как BAP2 работает в растениях. На это ушло еще несколько лет.
«Это был долгий путь со своими препятствиями, но он того стоил», — сказала Пастор-Кантизано. «Когда я начинала этот проект, я не могла себе представить, чем он закончится».
Дополнительная информация: Ноэлия Пастор-Кантизано и др., Программируемый регулятор клеточной смерти BAP2 необходим для опосредованного IRE1 развернутого белкового ответа у Arabidopsis, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50105-6
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено Университетом штата Мичиган
