Molekularny szlak sygnałowy u roślin

Organizmy żywe wyposażone są w bardzo skomplikowaną sieć biochemicznych szlaków sygnałowych, które umożliwiają realizację dosłownie wszystkich zadań, od poziomu komórkowego do poziomu całego organizmu. Tlenek azotu odgrywa pewną rolę w regulowaniu funkcji życiowych roślin, takich jak reakcje odpornościowe na choroby, wymiana gazowa, kiełkowanie nasion i wzrost korzeni.

Wiele funkcji biologicznych jest wynikiem interakcji pomiędzy tlenkiem azotu (lub bardziej ogólnie związkami z rodziny tlenków azotu — NOx) a białkami. Naukowcy finansowani ze środków UE uruchomili projekt o nazwie "NO-dependent protein translocation and S-nitrosylation of nuclear proteins in Arabidopsis thaliana" (PRONITROARAB), aby ustalić elementy docelowe wpływające na procesy, koncentrując się przy tym na białkach jądrowych.

Jednym z najważniejszych sposobów, w jaki NO reguluje funkcje życiowe roślin, jest tworzenie wiązań kowalentnych z resztami cysteinowymi (S) innych cząsteczek (S-nitrozylacja). Na początek uczestnicy projektu zastosowali metody obliczeniowe (oprogramowanie GPS-SNO 1.0 — opracowany niedawno program do prognozowania miejsc S-nitrozylacji) do zbadania całego proteomu rośliny A. thaliana (27 416 białek). Wyniki okazały się imponujące.

Białka będące kandydatami do S-nitrozylacji znaleziono we wszystkich przedziałach komórkowych (m.in. w błonie komórkowej i chloroplastach) w dużych ilościach. Po skoncentrowaniu się na kandydatach o największym prawdopodobieństwie (zastosowaniu bardziej rygorystycznych kryteriów prawdopodobieństwa statystycznego), zespół projektu zidentyfikował łącznie 3190 miejsc S-nitrozylacji w 3005 białkach docelowych, głównie w chloroplastach, w przedziale wewnątrzkomórkowym oraz w plasmodesmach. Te białka stanowiły 5–17% ogólnej zawartości przedziałów.

Następnie zespół projektu przeprowadził badania in vivo, by dogłębniej zbadać S-nitrozylację białek jądrowych. Aby znaleźć poddane S-nitrozylacji białka jądrowe związane z reakcją obronną organizmu, zespół wystawił roślinę A. thaliana na działanie patogenu. Ta niewielka roślina okrytonasienna jest układem modelowym w biologii roślin.

Następnie wyekstrahowano białka z jąder i poddano znakowaniu biotyną w celu zidentyfikowania S-nitrozylowanych białek jądrowych. Wyekstrahowane białka jądrowe poddane działaniu donora NO zostały użyte do celów kontrolnych. Spośród 195 zidentyfikowanych kandydatów 57% (111) stanowiły białka jądrowe. Te białka realizują mnóstwo funkcji, wykazując szeroki zakres szlaku NO w mechanizmach regulacji.

Zrozumienie mechanizmów regulujących działanie organizmów roślinnych jest istotne na wielu różnych poziomach — od zdobywania podstawowej wiedzy po zastosowania związane ze zwiększaniem plonów lub zwalczaniem chorób, a także w aspekcie obserwowania podobnych szlaków w innych układach. Projekt PRONITROARAB przyczynił się do pozyskania nowych informacji dotyczących regulowania procesów zachodzących w roślinach poprzez S-nitrozylację białek oraz otwarł drogę do licznych doświadczeń oraz kariery naukowej związanej z badaniem tych zjawisk.