Молекулярные основы иммунитета растений
Д.А. Копытина, А.М. Касенова, М.Е. Омашева, З.С. Качиева, Н.Н. Галиакпаров
Институт биологии и биотехнологии растений, МОН РК, г. Алматы
[email protected]
В статье рассмотрены компоненты иммунной системы растений, в частности мембранные и специфические цитоплазматические рецепторы. Данные рецепторы обладают консервативными лейцин-богатыми повторами и аналогичны многим рецепторам иммунной системы животных. При неспецифическом иммунном ответе триггером являются мембранные паттерн-распознающие рецепторы, запускающие все необходимые ответные реакции. Специфический иммунный ответ запускается цитоплазматическими специфическими рецепторами-белками устойчивости (R-белками). В геноме растений генов, кодирующих рецепторы иммунитета, значительно больше, нежели в геноме животных, что связано с отсутствием соматической рекомбинации у первых, в процессе которой появляется большое разнообразие рецепторов.
Введение
Возможность сосуществования всех живых организмов на земле обусловлена наличием механизмов защиты от большого разнообразия патогенов, вредителей, которые в свою очередь инициируют естественный отбор на устойчивость к патогенам. Эволюция патогенных факторов и методов обхода защиты растений вредителями коррелирует с эволюцией механизмов защиты живых организмов. Все механизмы борьбы с патогенами организма можно объединить в единую систему под названием иммунитет.
Несмотря на то, что растения не имеют защитных циркулирующих специализированных клеток (лейкоцитов), иммуноглобулинов и др., как животные организмы, тем не менее, у растений есть в наличии так называемый врожденный иммунитет, которым обладает каждая растительная клетка. При взаимодействии с микроорганизмом растительной клеткой реализуется узнавание микроба посредством внеклеточных паттерн-распознающих рецепторов, а при нарушении целостности клетки патогеном – с помощью внутриклеточных белков устойчивости – цитоплазматических рецепторов к эффекторам патогенов. В последнем случае в ответ на атаку патогенов запускается каскад реакций, приводящих в большинстве случаев к запрограммированной гибели зараженных клеток растения и формированию иммунного ответа близлежащих клеток. Растения также реализуют механизмы формирования иммунной памяти, которые, например, были продемонстрированы на табаке при заражении вирусом табачной мозаики [1]. Отдельные компоненты иммунитета растений имеют аналогию с таковыми у животных, например, флагеллиновый рецептор у Arabidopsis thaliana и Toll подобный рецептор 5 (TLR5) у человека имеют одинаковую лейцин-богатую повторами (LRRs) последовательность и оба рецептора распознают консервативные эпитопы бактериального флагеллина. Исследования последнего времени позволяют полагать, что рецепторы животных и растений произошли путем конвергентной, а не дивергентной эволюции.
Врожденный иммунитет растений подразделяется на неспецифический и специфический. Неспецифический иммунитет обусловлен наличием паттерн-распознающих рецепторов (PRRs), распознающих молекулярные структуры, ассоциированные с микроорганизмами (PAMPs), такие как липополисахариды, пептидогликаны, бактериальные белки, например, флагеллин и другие. Благодаря эволюции, патогены научились обходить систему защиты на уровне распознавания PRRs и проникать в клетки, на что растения ответили развитием специфического иммунного ответа, обусловленного цитоплазматическими R-белками на специфические эффекторы определенных патогенов. Данная статья посвящена рассмотрению составляющих компонентов иммунной системы растений и механизмов реализации ответа на молекулярном уровне.
Рецепторы иммунной системы
Трансмембранные рецепторы PRRs растений играют важную роль в первичном иммунном ответе, распознавая консервативные PAMPs бактерий, вирусов, грибов и других организмов. PRRs состоят из внеклеточного лейцин-богатого домена (LRRs), за исключением хитинового рецептора (CEBIP) в рисе, содержащего лизин-богатый домен, данные домены участвуют в связывании PAMPs. У растений существует два типа PRRs: 1) белки, не имеющие цитоплазматического домена - рецептор подобные белки (RLPs); 2) рецептор-подобные киназы, имеющие внутриклеточный киназный домен (рис. 1).
RLPs
RLKs
LRR – лейцин-богатые повторы, ТМ - трансмембранный домен, KIN - киназный домен
Рис. 1. Иллюстрация паттерн-распознающих рецепторов растений
Для каждой группы микроорганизмов характерны свои PAMPs. На рисунке 2 показаны растительные PRRs к основным классам патогенов: бактерии, грибы, вирусы.
Рис. 2. PRRs растений в ответ на бактерии, грибы и вирусы
(Cyril Zipfel, Pattern-recognition receptors in plant innate immunity, 2008, описание в тексте).
PRRs растений, распознающие PAMPs бактерий
Рецептор XA21 (Oryza sativa) является первым обнаруженным PRR, который участвует в устойчивости против Xanthomonas oryzae pv.oryzae и только недавние исследования показали, что лигандом для рецептора является сульфатированный пептид белка Ax21, который представлен во всех видах Xanthomonas [2]. Механизм взаимодействия PAMP-PRR впервые был показан на примере флагеллина Pseudomonas syringe, распознаваемого рецептором FLS2 арабидопсиса (A.thaliana) [3]. Эпитопом флагеллина является N-концевой участок, содержащий 22 аминокислоты. Ортологи FLS2 были клонированы и охарактеризованы в томате (Solánum lycopérsicum) и табаке (N.benthamiana). После активации флагеллином FLS2 взаимодействует с ко-рецептором BRI1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1 (BAK1), после чего происходит запуск иммунитета, стимулируемого PAMPs (PTI). К бактериальным PAMPs также относится EF-TU (фактор элонгации Tu), который распознается рецептором фактора элонгации (EFR), относящийся к лейцин-богатым повторам рецептор-подобных киназ (LRR-RLK). Примечательно, что один и тот же PAMP может активировать разные рецепторы растений и наоборот, что приводит к разнообразным путям ответа растения на потенциальный патоген и к повышению шансов предотвратить проникновение вредителя.
Путем мутаций генов, кодирующих PRRs, была выявлена значимость первичного ответа. Мутация в гене EFR, кодирующего рецептор распознавания EF-TU бактерий, приводила к повышенной трансформации арабидопсиса агробактериями по сравнению с диким типом. Мутации FLS2 у томата снизили чувствительность к PAMPs и увеличили проникновение Pseudomonas syringae pv. tomato. Флагеллин из разных организмов может влиять на один и тот же вид растений с различной эффективностью: флагеллин из P.syringae проявляет наибольшую активность по сравнению с таковым из Agrobacterium tumefaciens [4].
RLKs растений сходны с TLRs млекопитающих по наличию внеклеточного лейцин-богатого домена, участвующего в распознавании PAMPs, и по механизму проведения внутриклеточного сигнала – за счет активации серин/треониновых киназ [5]. В отличие от RLKs, TLRs млекопитающих не обладают серин/треониновой киназной активностью и передают сигналы через адаптерные белки, активирующие киназы, действующие на более поздних стадиях сигнального каскада [2].
Было обнаружено, что в геноме Arabidopsis имеется около 233 генов LLR- RLKs и 110 генов LLR-RLPs, которые экспрессируются на различных этапах развития растений и многие из них не вовлечены в развитие иммунного ответа. Рецепторы, не вовлеченные в иммунный ответ, играют ключевую роль в онтогенезе растений, симбиозе, само-неопыляемости [3].
PRRs растений, распознающие PAMPs грибов и вирусов
Помимо наиболее изученных PRR, как FLS2 и EFR в ответ на бактерии, которые были описаны выше, были выявлены и другие, например, мембранный LeEIX2 в ответ на гриб Trihoderma viride, который в свою очередь передает сигнал к этилен индуцируемой ксилиназе (EIX). EIX индуцирует выход электролитов, экспрессию патоген-связывающих белков, а также гиперчувствительный ответ в некоторых растениях, таких как томат и табак. EIX вызывает вхождение мембранного LeEIX2 (RLP) в клетку посредством эндоцитоза (как FLS2) [4]. Было показано, что активация EIX является необязательным условием для включения системы защиты. Рецептор LeEIX2 принадлежит к группе RLPs, состоит из внеклеточных LRR повторов и включает в себя трансмембранный домен и короткий цитоплазматический хвост с неизвестной функцией. Недавно было показано, что LeEIX1 (близкий гомолог LeEIX2) ослабляет EIX ответ через LeEIX2 рецептор [5].
Огромный прогресс был сделан в идентификации рецепторов, вовлеченных в восприятие хито-олигосахаридов (хитина) грибов. Хитин, полимер N-ацетил-D-гликозамина был найден в клеточной стенке грибов, экзоскелете насекомых, покровных тканях ракообразных, но не у растений. С помощью аффинной метки было показано, что элиситор хитина, белок CEBiP (рис. 2) ответственен за связывание хито-олигосахаридов в рисе (Oryza sativa). Выключение гена CEBiP с помощью РНК интерференции приводило к ингибированию образования реактивных форм кислорода и экспрессии генов, участвующих в иммунном ответе после проникновения хитинового элиситора [5]. Этот протеин также принадлежит к семейству RLP белков и состоит из внеклеточного домена с двумя LysM повторами. Недавно было показано, что CEBiP работает координированно с LysM-рецептор киназой OsCERK1(chitin elicitor receptor kinase) [3]. CERK1 (LysM-RLK1) впервые был идентифицирован как хитиновый рецептор в Arabidopsis. CERK1 состоит из трех внеклеточных LysM доменов, трансмембранного домена и внеклеточного киназного домена. Мутации в гене CERK1 приводят к неспецифическому ответу на элиситор хитин и блокированию индукции практически всех генов хитин-олигосахаридного ответа (CRGs). Примером является мутация в гене CERK1 Arabidopsis, которая приводила к понижению защитной реакции к некротрофическому грибу Alternaria brassicicola, а также интересно то, что мутации в этом гене отражаются также и на ответе к бактериальному патогену Pseudomonas syringae . Прямое связывание хитина с рецептором CERK1 было продемонстрировано in vitro [6].
Кроме рецепторов к бактериальным и грибным PAMPs, растения также обладают рецепторами к вирусным PAMPs, например, NIK (киназы, взаимодействующие с NSP, nuclear shuttle protein), относящимся к подсемейству LRR-RLK и близкородственным к группе SERKs (Somatic Embryogenesis Receptor Kinase) (рис. 2) [3]. Все белки этой группы имеют 4 полных и 5 неполных LRR. У арабидопсиса NIK 1-3 являются мишенями вирулентности NSP геминивирусов, которые ингибируют их киназную активность, потеря активности приводит к высокой восприимчивости растения к вирусным инфекциям. В томатах и сое также обнаружены NIK (1-3), являющиеся мишенью для NSP геминивируса золотистой мозаики томата (TGMV) и вируса желтой морщинистости листьев томата (TCrLYV) [5]. Также они могут выступать как ко-рецепторы, механизм действия которых пока неясен.
Рецепторы специфического иммунного ответа
Эволюция патогенов позволяет им приобретать способность обхода защиты PTI: становиться либо нераспознаваемыми рецепторами путем мутаций в генах, кодирующих эпитопы, или элиминации распознаваемых участков, либо ингибировать активность последних. Вследствие ко-эволюции с вредителями растения приобретают способность синтезировать специфичные белки устойчивости к определенным эффекторам проникших в клетки патогенов, в чем и проявляется специфический иммунный ответ растений.
R-белки состоят из 2 основных компонентов: LRRs и нуклеотид-связывающего домена (NB) и родственны таким животным белкам как NOD/NLR/STAND ATPases. NB-LRRs цитоплазматические рецепторы, могут непосредственно взаимодействовать с эффекторами либо опосредованно через белки, на которые воздействуют эффекторы [2].
У животных существует особый процесс сайт-специфической генетической рекомбинации, происходящий в иммунных клетках, который случайным образом переставляет и перестраивает гены, ассоциированные со специфическими белками, играющих важную роль в иммунном ответе, называемый соматической перестройкой генов. В связи с тем, что у растений нет соматической перестройки генов иммунных рецепторов, аналогичной той, которая происходит в лимфоцитах животных, число генов, кодирующих рецепторы врожденного иммунитета, в геномах растений значительно выше, чем число генов PRRs в геномах млекопитающих [6].
R-белки подразделяются на CC-NB-LRRs (содержащие на N-конце домен типа «суперспираль» и на TIR-NB-LRRs (содержат на N-конце TIR домен, гомологичный Toll и рецептору IL-1 у животных ) (рис. 3) .
Риc. 3. Схематическое изображение R-белков растений
(О.А. Вахрушева, Система врожденного иммунитета у растений, 2011)
NB участвует в связывании и гидролизе аденозинтрифосфата (АТФ), что приводит к конформационным изменениям в молекуле рецептора и последующей активации сигнального каскада. NB-домен входит в состав NB-ARC-домена, который обнаруживается в таких молекулах как Apaf-1, CED-4, R-белках. Домены NACHT, NOD похожи по своей структуре на NB-ARC, присутствуют в белках цитоплазмы животных. Несмотря на то, что белки, имеющие в своем составе NB-ARC/NACHT/NOD-домены, структурно схожи между собой, считается, что они возникли независимо [6].
LRRs, как и в случае RPPs, участвует в непосредственном связывании с PAMPs. CС домен, наряду с TIR-доменом (домен, гомологичный Toll и рецептору IL 1), могут участвовать в непрямом распознавании патогена, благодаря взаимодействию с модифицированными, действием патогена, собственными растительными белками, также TIR-домен участвует в гомотипической олигомеризации. SD-домены, характерные для семейства Solanaceae, относятся к одному из семейств ДНК-связывающих доменов транскрипционных факторов.
Распространенность как в животном, так и в растительном царстве белковых структур, в состав которых входят LRR и NB-домены, видимо, указывает на физико-химическую «пригодность» такой структуры для осуществления двух сопряженных процессов: узнавания лиганда и дальнейшей передачи сигнала [4].
Прямое и непрямое распознавание эффекторов белками резистентности
R белки запускают каскад ответных реакций путем контакта с молекулами клетки, которые были модифицированы действием эффекторов патогенов или непосредственно связываясь с эффектором патогена. Непрямое распознавание связано с тем, что большинство эффекторов патогенов имеют одинаковые мишени в растениях и характер воздействия на них, что позволяет R-белкам распознавать группы патогенов. С одной и той же мишенью могут взаимодействовать различные белки устойчивости, что связано с распознаванием модификаций этой мишени под воздействием различных эффекторов [6].
В связывании эффекторов или модифицированных мишеней растений могут участвовать не только LRRs R-белки, но также и N-концевые домены (CC- или TIR- домены). С N-концевыми доменами NB-LRRs взаимодействуют некоторые растительные белки, которые подвергаются расщеплению (например, RIN4 и PBS-1), фосфорилированию (RIN4) или другим модификациям под действием эффекторных белков патогенов (AvrRpm1/AvrB и AvrRpt2 в случае RIN4, и AvrPphB в случае PBS-1) (рис. 4). RIN4 играет важную роль в иммунитете растений, молекулярные механизмы регуляции защиты с помощью RIN4 в настоящий момент плохо изучены, но известно, что при отсутствии экспрессии RPM1 и RPS2 эффекторы модифицируют RIN4, что может привести к подавлению развития PTI [7]. ETI (иммунитет, стимулируемый эффекторными белками) и PTI пути могут переплетаться, как это показано на данном примере. На настоящий момент предложен один вероятный механизм действия RIN4: RIN4 взаимодействует с ассоциированной плазматической мембраной Н+АТФазой, которая регулирует степень открытости растительных устьиц. Устьица являются одним из первых мест проникновения патогенов и главной мишенью PAMPs [8].
Показано, что N-концевые TIR-домены могут участвовать в TIR-TIR гомотипических взаимодействиях, приводящих к олигомеризации TIR-NB-LRRs после активации [9]. Некоторые белки резистентности содержат дополнительный BED-домен на N-конце, который относится к семейству цинковых пальцев-доменов, участвующих во взаимодействия с ДНК. Обнаружено, что при активации защитной реакции некоторые NB-LRRs, как содержащие, так и не содержащие BED-домен, переносятся из цитоплазмы в ядро и связываются с другими транскрипционными факторами.
Рис. 4. Иллюстрация непрямого распознавания эффекторов белками резистентности
Таким образом, если происходит связывание белков резистентности напрямую с эффекторами, то взаимодействие происходит как в случае PRRs, за счет LRR-домена. Непрямое же распознавание во многих случаях опосредуется не за счет LRR-домена, а N-концевым участком TIR-или CC-домена [10].
Реализация иммунного ответа
Активация PTI
Взаимодействие PRRs с PAMPs приводит к активации базовой защитной системы PTI, которая и является первой преградой для микроорганизмов и сопровождается изменением концентрации ионов (Ca2+), продукцией активных форм кислорода и азота, участием митоген активируемых протеинкиназ (MAPKs), активацией транскрипционных факторов WRKY, индуцирующих экспрессию защитных генов и продукцией антимикробных молекул, таких как BOX2 и фитоалексинов [3]. Характерный для оомицетов элистирол PEP-13 распознается рецепторами растений, после чего происходит активация кальциевых каналов, расположенных в мембране клетки. Запускаются также и такие процессы, как продукция гидролитических ферментов (хитиназы, глюконазы), сигнальных гормонов: жасмоновая кислота, салициловая кислота, этилен. Вызванное распознаванием PAMPs повышение внеклеточного уровня кальция приводит к временному повышению его цитоплазматического уровня [7].
Выделенная из табака растительная NO-синтаза, участвующая в синтезе NO, активируется в ответ на инфекцию и, несмотря на отсутствие гомологии с белками, выполняющими такие же функции у животных, ее требования к кофакторам, субстратная специфичность и чувствительность к ингибиторам схожи с NO-синтазами животных. Одним из PAMPs является EF-Tu, распознаваемый представителями семейства Brassicaceae [11]. Белок распознается рецептор-подобной киназой. Было показано, что высококонсервативный N-ацетилированный 18 аминокислотный пептид EF-Tu(elf18) индуцировал такой же защитный ответ, как и полноразмерный белок, из этого следует, что данный участок служит эпитопом для распознавания рецепторами [12]. Экспрессия EFR из Arabidopsis thaliana в растениях N. benthamiana, которые не имели данных рецепторов к EF-Tu, приводило к возникновению способности связывать elf18 и развитию защитной реакции у этих растений, что указывает на то, что компоненты сигнального пути, находящиеся ниже уровня PRRs, консервативны между растениями различных семейств [13].
Активация ETI
Как было сказано выше, PAMPs могут избегать распознавания рецепторами или подавлять PTI. Например, рецептор-подобная киназа Arabidopsis CERK1, распознающая хитин, служит мишенью для бактериального эффекторного белка AvrPtoB, который модифицирует киназный домен CERK1 путем присоединения убиквитина, что служит сигналом к деградации CERK1 и предотвращает развитие защитной реакции PTI. Таким образом, распознавание PAMP может происходить, но защитная реакция, при наличии у патогена соответствующего эффекторного белка, может и не развиваться [14]. Запускается специфический иммунный ответ на соответствующие эффекторы, при котором активируются белки резистентности, например, AvrPtoB распознается Prf NB-LRR. Иммунитет ETI, индуцированный эффекторами, развивается после распознавания белками резистентности соответствующего эффектора. Признаком ETI является гиперчувствительный ответ, который в большинстве случаях приводит к запрограммированной смерти зараженных клеток. Запускаемые процессы при ETI, такие как и в случае PTI, отличия могут быть лишь в разном соотношении концентраций гормонов, скорости ответа на патоген и различия в путях проведения сигнала. Пути ответа на некротрофы и биотрофы частично различаются, салициловая кислота является как локальным, так и системным сигналом для формирования устойчивости против биотрофов, а комбинация жасмоновой кислоты с этиленом является сигналом борьбы с некротрофами [12]. Мутанты арабидопсиса по салициловой кислоте подвержены опасности со стороны патогенов как в случае PTI, так и в случае формирования иммунной памяти.
Некоторые R-белки содержат домен WRKY и могут действовать как транскрипционные факторы и изменять экспрессию генов, ответственных за развитие иммунного ответа, кроме того, в этот процесс могут быть вовлечены транскрипционные факторы из семейства TGA [15].
Так как ETI в большинстве случаев приводит к гибели клеток, появляется необходимость в строгой регуляции активации NB-LRRs. Один из механизмов регуляции – аутоингибирование белков резистентности. Удаление LRR-доменов вызывает слабую аутоактивацию некоторых NB-LRRs, что указывает на участие LRR-доменов в негативной регуляции активности рецепторов [16]. Согласно модели, предложенной для CC-NB-LRRs, прямое или опосредованное распознавание эффекторного белка патогена приводит к тому, что нарушаются внутримолекулярные взаимодействия между LRR- и NB-ARC- доменами. В результате процесса дефосфорилирования в NB-ARC происходят конформационные изменения NB-ARC и N-концевого домена и, предположительно, это влияет на дальнейшую передачу сигнала [4].
В арабидопсисе обнаружено как минимум три независимых сигнальных пути, активируемых белками резистентности. TIR-NB-LRRs проводят сигнал через белок EDS1 (enhanced disease susceptibility), а CC-NB-LRRs – через NDR1 (non-race specific disease resistance). Отдельный путь проведения сигнала, не зависящий ни от EDS1, ни от NDR1, у Arabidopsis активируется двумя CC-NB-LRRs: RPP8 и RPP13 [13]. Белки резистентности могут запускать одновременно несколько независимых путей иммунного ответа.
Кроме того в процессе иммунного ответа активируются метокаспазы, PBA1 (β-subunit of the 26S proteasome). PBA1 обладает активностью как и каспаза-3 у животных, способствует слиянию мембран центральной вакуоли и плазматической мембраны, что приводит к высвобождению антибактериальных веществ и сигнальных молекул для запрограммированной смерти клетки. PBA1 сохраняется на протяжении всего иммунного ответа у A.thaliana к бактериальному патогену P.syringae pv.tomato [17].
В эволюции чувствительность и устойчивость растений к патогенам постоянно чередуются. Повышение чувствительности растений к патогенам вызвано «удачной» эволюцией патогенов и наоборот, повышение устойчивости растений связано с их «удачной» эволюцией. Процесс эволюции растений и патогенов протекает совместно.
Ко-эволюция эффекторов патогенов и R-белков схематически отражена на рисунке 5
1 – растения устойчивы к патогенам в результате действия высокоспецифичных R-белков, отобранных селекцией соответствующих R-генов против эффекторов, происходит быстрое подавление развития болезни; 2 – в результате мутаций в генах эффекторов и избавления от участков молекул, хорошо распознаваемых белками резистентности, происходит отбор эффекторов. Растения чувствительны к патогенам, низкий уровень специфической защиты.
Рис.5. Иллюстрация ко-эволюции R-белков и патогенов (The plant immune system, Jonathan D.G., 2006)
У NB-LRRs иногда появляется новая специфичность, что может быть обусловлено, в частности, делецией или дупликацией целых LRRs. Так, в одном из локусов латука, содержащем кодирующие NB-LRRs гены, число LRRs варьировало от 40 до 47, причиной
чего мог быть неравный кроссинговер [15]. Кроме того, внедрение мобильных генетических элементов в LRR-область также может увеличивать разнообразие генов устойчивости [18].
Уникальность ответа на вирусы
В борьбе с фитопатогенными вирусами растения обладают одним из главнейших систем защиты, РНК-интерференцией – механизмом подавления экспрессии генов с помощью малых интерферирующих РНК (siRNA). siRNA являются важной составляющей своеобразного «внутриклеточного иммунитета» растений, позволяющего распознавать и быстро уничтожать экзогенную РНК, а также распространять siRNA по плазмодесмам (рис. 6).
Рис. 6. Иллюстрация механизма РНК-интерференции (Ширинский В.П.)
Фермент Dicer разрезает чужеродную двуцепочечную РНК. При этом образуются siRNA, которые связываются с каталитически активными белками (нуклеазами, RISC). Комплекс RISC и siRNA специфически разрушает mRNA и предотвращает трансляцию.
Значительные отличия в мишенях малых интерферирующих РНК между растениями и животными обусловлены тем, что у растений siRNA высоко комплементарны рибонуклеиновым мишеням и вызывают деградацию мРНК в составе RISC (RNA-induced silencing complex), а у животных малые интерферирующие РНК сильно отличаются по последовательности нуклеотидов и вызывают подавление трансляции [19]. Если в клетку проникнет вирусная РНК, то данная система защиты не позволит ей реплицироваться. Если же вирус содержит ДНК, система siRNA будет препятствовать трансляции вирусных протеинов, потому что матричная РНК будет распознаваться и разрезаться. Для большей эффективности растения изобрели своеобразный путь усиления защитного действия siRNA. Присоединяясь к цепи мРНК, участок siRNA может с помощью комплекса ферментов Dicer сначала достроить вторую цепочку мРНК, а затем разрезать ее в разных местах, создавая разнообразные «вторичные» siRNA. Данные «вторичные» молекулы смогут специфично связываться не только с тем участком вирусной мРНК, к которому была направлена «первичная» молекула, но также и с другими участками, что резко усиливает эффективность клеточной защиты [20].
В отличие от растений, siRNA которых действуют строго специфично по отношению к вирусной РНК, у млекопитающих, при попадании в дифференцированную клетку экзогенной РНК, клетка начинает синтез интерферона. Интерферон действует, как правило, неспецифично, то есть оказывает свое влияние и на близлежащие, еще не зараженные вирусом клетки, блокируя, таким образом, его возможное дальнейшее распространение [19]. Система же siRNA отличается чрезвычайной разборчивостью: каждая siRNA будет распознавать и уничтожать только свою, специфическую мРНК. Даже если заменяется только один нуклеотид внутри siRNA, это приводит к резкому снижению эффекта интерференции. На сегодняшний день, из всех изученных блокаторов генов, ни один из них не обладает такой исключительной специфичностью по отношению к своему гену-мишени [20].
Заключение
Иммунная система играет важнейшую роль для любого живого организма на земле, пути реализации и компоненты данной системы могут быть разнообразны. Одним из компонентов, встречающихся у всех организмов, в том числе и растений, являются рецепторы, первые сенсоры на опасность. У растений они представлены мембранными и специфическими цитоплазматическими белками, которые запускают иммунный ответ. Основными показателями ответной реакции являются: изменение уровня ионов кальция, NO, активных форм кислорода, синтез сигнальных гормонов. В структурном и функциональном плане растительные рецепторы аналогичны многим рецепторам иммунной системы животных.
Литература
1. Steven H. Spoel, Xinnian Dong. How do plants achieve immunity? Defence without specialized immune cells // Nature Reviews Immunology. – 2012. – Vol. 12. – P. 90.
2. Lee S.W. et al. A type I-secreted, sulfated peptide triggers XA21 mediated innate immunity // Science. – 2009. – Vol. 326 (5954). – P. 850–853 .
3. Gómez-Gómez L. & Boller, T. FLS2: an LRR receptor-like kinase involved in the perception of the bacterial elicitor flagellin in Arabidopsis // Mol. Cell. – 2000. – Vol. 5(6). – P. 1003–1011.
4. Felix G., Duran J. D., Volko S. & Boller, T. Plants have a sensitive perception system for the most conserved domain of bacterial flagellin // Plant J. – 1999. – Vol. 18(3). – P. 265–276 .
5. Imler J., Ferrandon D., Royet J., Reichhart J.M., Hetru C., Hoffmann J.A. Toll_dependent and Tollindependent immune responses in Drosophila // J. Endotoxin. Res. – 2004. – Vol. 10(4). – P. 241–246.
6. Вахрушева О.А., Недоспасов С.А. Cистема врожденного иммунитета у растений // Mолекулярная биология. – 2011. – Т. 45 (1). – С. 21.
7. Bar M., Avni A. EHD2 inhibits ligand- induced endocytosis and signaling of the leucine – rich repeat receptor- like protein LeEix2 // The Plant Journ. – 2009. – Vol. 59(4). – P. 600–611.
8. Boller T., Felix G. A renaissance of elicitors: perception of microbe-associated molecular patterns and danger signals by pattern-recognition receptors // Annual Review of Plant Biology. – 2009. – Vol. 60. – P. 379–406.
9. Shimizu T., Nakano T., Takamizawa D., Desaki Y., Ishii-Minami N., Nishizawa Y., Minami E., Okada K., Yamane H., Kaku H., Shibuya N. Two LysM receptor molecules, CEBiP and OsCERK1, cooperatively regulate chitin elicitor signaling in rice // The Plant Journal. – 2010. – Vol. 64(2). – P. 204–214.
10. Gimenez-Ibanez S., Hann D.R., Ntoukakis V., Petutschnig E., Lipka V., Rathjen J.P. (2009). AvrPtoB targets the LysM receptor kinase CERK1 to promote bacterial virulence on plants // Current Biology. – 2009. – Vol. 19. – P. 423–429.
11. Lu D., Wu S., Gao X., Zhang Y., Shan L., He P. A receptor- like cytoplasmic kinase, BIK1, associates with a flagellin receptor complex to initiate plant innate immunity // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. – 2010. – Vol. 107(1). – P. 496–501.
12. Fontes E.P., Santos A.A., Luz D.F., Waclawovsky A.J., Chory J. The geminivirus nuclear shuttle protein is a virulence factor that suppresses transmembrane receptor kinase activity // Genes and Development. – 2004. – Vol. 18 (20). – P. 2545–2556.
13. Chung E.H. et al. Specific threonine phosphorylation of a host target by two unrelated type III effectors activates a host innate immune receptor in plants // Cell Host Microbe. – 2011. – Vol. 9(2). – P. 125–136 .
14. Zimmermann S., Nьrnberger T., Frachisse J.M., Wirtz W.,Guern J., Hedrich R., Scheel D. Receptor_mediated activation of a plant Ca2+_permeable ion channel involved in pathogen defense // Proc. Natl. Acad. Sci.USA. – 1997. – Vol. 94(6). – P. 2751–2755.
15. Cyril Zipfel. Pattern-recognition receptors in plant innate immunity // Current Opinion in Immunology. – 2008. – Vol. 20 (1). – P. 10–16.
16. Glazebrook J. Contrasting mechanisms of defense against biotrophic and necrotrophic pathogens // Annu. Rev. Phytopathol. – 2005. – Vol. 43. – P. 205–227 .
17. Rairdan G., Moffett P. Brothers in arms? Common and contrasting themes in pathogen perception by plant NB-LRR and animal NACHT-LRR proteins // Microbes Infect. – 2007. – Vol. 9 (5). – P. 677–686.
18. Kuang H., Woo S., Meyers B.C., Nevo E., Michel_more R.W. Multiple genetic processes result in heterogeneous rates of evolution within the major cluster disease resistance genes in lettuce // Plant Cell. – 2004. – Vol. 16(11). – P. 2870–2894.
19. Дьяков Ю., Багирова С. Что общего в иммунитете растений и животных // Природа. – 2001. – T. 11. – C. 5–14.
20. Saumet A., Lecellier C.H. «Anti-viral RNA silencing: do we look like plants?» // Retrovirology. – 2006. – Vol. 3. – P. 3.
Түйін
Шолуда өсімдіктердің иммундық жүйесінің компоненттері қарастырылған, атап айтқанда мембраналық және өзіндік цитоплазмалық рецепторлар. Бұл рецепторлар тұрақты лейцин көп кездесетін қайталамалардан тұрады және жануарлардың иммундық жүйесінің көптеген рецепторларына ұйқас. Спецификалық емес иммундық жауапта триггер болып барлық керекті реакция жауаптарын қосатын мембраналық паттерн-танитын рецепторлар табылады. Өзіндік иммундық жауап цитоплазматикалық арнайы рецепторлармен (ақуыз төзімді) қосылады. Өсімдік геномында, иммунитеттің рецепторларын кодтайтын гендер жануар геномына қарағанда көбірек. Ол өсімдіктерде соматикалық рекомбинацияның жоқтығын көрсетеді, соның барысында көптеген әртүрлі рецепторлар пайда болады.
Summary
The review describes main components of plant immune system that are based on membrane and specific cytoplasmic receptors. These receptors possess conserved leucine – rich repeats (patterns) and are analogous to many receptors of mammalian immune system. Membrane-bound pattern recognition receptors play major role in non-specific immune response by triggering necessary reactions in order to fight the pathogen. Specific immune response is mediated by specific cytoplasmic receptors (resistance proteins). Genes encoding immunity receptors in the plant genome, much more than in the animals’ genome due to the lack of somatic recombination in plants, which cause a large variety of receptors.