Фитохромы представляют собой класс белков-фоторецепторов, обнаруженных в растениях , бактериях и грибах . Они реагируют на свет в красной и дальней красной областях видимого спектра и могут быть классифицированы как Тип I, который активируется дальним красным светом, или Тип II, который активируется красным светом. [2] Недавние достижения показали, что фитохромы также действуют как датчики температуры, поскольку более высокие температуры усиливают их дезактивацию. [3] Все эти факторы способствуют способности растения прорастать .
Фитохромы контролируют многие аспекты развития растений. Они регулируют прорастание семян (фотобластия), синтез хлорофилла , удлинение проростков, размер, форму, количество и движение листьев и сроки цветения взрослых растений. Фитохромы широко экспрессируются во многих тканях и на разных стадиях развития. [2]
Другие фоторецепторы растений включают криптохромы и фототропины , которые реагируют на синий и ультрафиолетовый свет-А, а также UVR8 , который чувствителен к ультрафиолетовому свету-В.
Фитохромы состоят из белка , ковалентно связанного со светочувствительным хромофором билином . [4] Белковая часть состоит из двух идентичных цепей (А и В). Каждая цепочка имеет домен PAS , домен GAF и домен PHY. Расположение доменов в фитохромах растений, бактерий и грибов сопоставимо, поскольку три N-концевых домена всегда представляют собой домены PAS, GAF и PHY. Однако С-концевые домены более расходятся. Домен PAS служит сенсором сигнала, а домен GAF отвечает за связывание с цГМФ, а также воспринимает световые сигналы. Вместе эти субъединицы образуют фитохромную область, которая регулирует физиологические изменения растений при изменении условий красного и дальнего красного света. У растений красный свет переводит фитохром в его биологически активную форму, а дальний красный свет переводит белок в его биологически неактивную форму.
Фитохромы характеризуются красной/дальнекрасной фотохромностью . Фотохромные пигменты меняют свой «цвет» (свойства спектрального поглощения) при поглощении света. В случае фитохрома основным состоянием является Pr , причем буква r указывает на то, что он особенно сильно поглощает красный свет. Максимум поглощения представляет собой острый пик 650–670 нм, поэтому концентрированные растворы фитохромов кажутся человеческому глазу бирюзово-голубыми при просмотре в белом свете. Но как только красный фотон поглощается, пигмент претерпевает быстрое конформационное изменение, образуя состояние P fr . Здесь fr указывает на то, что теперь дифференциально поглощается не красный, а дальний красный (также называемый «ближним инфракрасным»; 705–740 нм). Этот сдвиг в поглощении виден человеческому глазу как немного более зеленоватый цвет. Когда P fr поглощает дальний красный свет, он преобразуется обратно в P r . Следовательно, красный свет создает P fr , дальний красный свет создает P r . У растений по крайней мере P fr представляет собой физиологически активное или «сигнальное» состояние.
Фитохромы также обладают способностью чувствовать свет, что заставляет растение расти навстречу ему. Это называется фототропизмом . [7] Джаноуди и его коллеги хотели посмотреть, какой тип фитохрома отвечает за возникновение фототропизма, и провели серию экспериментов. Они обнаружили, что синий свет вызывает у растения Arabidopsis thaliana фототропную реакцию; эта кривизна усиливается с добавлением красного света. [7] Они также обнаружили, что в растении присутствовало пять различных фитохромов, в то время как у некоторых мутантов, которые не функционировали должным образом, наблюдался недостаток фитохромов. [7] Два из этих мутантных вариантов были очень важны для этого исследования: phyA-101 и phyB-1. [7] Это мутанты фитохрома А и В соответственно. Нормально функциональный фитохром А вызывает чувствительность к дальнему красному свету и регулирует выражение кривизны по отношению к свету, тогда как фитохром B более чувствителен к красному свету. [7]
Эксперимент включал форму дикого типа Arabidopsis, phyA-101 (нулевой мутант по фитохрому A (phyA)), phyB-1 (мутант с дефицитом фитохрома B). [7] Затем их подвергали воздействию белого света в качестве контрольного синего и красного света при различных плотностях света, измеряли кривизну. [7] Было установлено, что для достижения фенотипа фенотипа phyA-101 дикого типа необходимо подвергаться воздействию на четыре порядка большей величины или флюенсу примерно 100 мкмоль м -2 . [7] Однако плотность энергии, которая заставляет phyB-1 проявлять ту же кривизну, что и у дикого типа, идентична таковой у дикого типа. [7] Было обнаружено, что фитохром, который экспрессировал больше, чем обычно, количества фитохрома А, по мере увеличения флюенса, кривизна также увеличивалась до 10 мкмоль-м -2 , кривизна была подобна дикому типу. [7] Фитохром, экспрессирующий больше, чем обычно, количество фитохрома B, демонстрировал кривизну, аналогичную кривизне дикого типа при различных флюенсах красного света вплоть до тех пор, пока флюенс 100 мкмоль-м -2 при флюенсах выше этой кривизны не стал намного выше, чем у дикого типа. -тип. [7]
Таким образом, в результате эксперимента было обнаружено, что на кривизну влияет не только фитохром А, но и другой фитохром, поскольку мутант не так уж далек от дикого типа, а phyA вообще не экспрессируется. [7] Таким образом, можно сделать вывод, что за фототропизм должны отвечать две фазы. Они определили, что ответ происходит как при низких, так и при высоких флюенсах. [7] Это связано с тем, что для phyA-101 порог кривизны возникает при более высоких значениях флюенса, но кривизна также возникает при низких значениях флюенса. [7] Поскольку порог мутанта возникает при высоких значениях флюенса, было установлено, что фитохром А не отвечает за искривление при высоких значениях флюенса. [7] Поскольку мутант по фитохрому B продемонстрировал реакцию, аналогичную реакции дикого типа, был сделан вывод, что фитохром B не необходим для усиления воздействия низкой или высокой плотности энергии. [7] Было предсказано, что мутанты, которые сверхэкспрессируют фитохромы А и В, будут более чувствительными. Однако показано, что чрезмерная экспрессия phy A на самом деле не влияет на кривизну, поэтому в диком типе фитохрома достаточно для достижения максимальной кривизны. [7] Для мутанта со сверхэкспрессией фитохрома B более высокая кривизна, чем обычно, при более высоких плотностях света указывает на то, что фитохром B контролирует кривизну при высоких плотностях света. [7] В целом, они пришли к выводу, что фитохром А контролирует искривление при низких плотностях света. [7]
Фитохромы также могут влиять на рост корней. Хорошо известно, что гравитропизм является основным тропизмом корней. Однако недавнее исследование показало, что фототропизм также играет роль. Положительный фототропизм, вызываемый красным светом, был недавно зарегистрирован в эксперименте, в котором использовался арабидопсис, чтобы проверить, какие участки растения оказывают наибольшее влияние на положительную фототропную реакцию. Экспериментаторы использовали аппарат, который позволял регулировать высоту вершины корня до нуля градусов, чтобы гравитропизм не мог быть конкурирующим фактором. При помещении на красный свет корни арабидопсиса изгибались на 30–40 градусов. Это показало положительную фототропную реакцию на красный свет. Затем они хотели точно определить, где именно на растении поступает свет. Когда корни были покрыты, искривление корней при воздействии красного света практически не наблюдалось. Напротив, когда побеги были покрыты, наблюдалась положительная фототропная реакция на красный свет. Это доказывает, что в боковых корнях происходит светоощущение. Для дальнейшего сбора информации о фитохромах, участвующих в этой активности, мутанты фитохромов A, B, D и E, а также корни WT подвергали воздействию красного света. Мутанты фитохромов А и В были серьезно повреждены. Не было значительной разницы в реакции phyD и phyE по сравнению с диким типом, что доказывает, что phyA и phyB ответственны за положительный фототропизм в корнях.
Химически фитохром состоит из хромофора , единственной молекулы билина, состоящей из открытой цепи из четырех пиррольных колец, ковалентно связанных с фрагментом белка через высококонсервативную аминокислоту цистеин. Именно хромофор поглощает свет и в результате меняет конформацию билина, а затем и присоединенного белка, переводя его из одного состояния или изоформы в другое.
Фитохромный хромофор обычно представляет собой фитохромомобилин и тесно связан с фикоцианобилином (хромофором фикобилипротеинов , используемым цианобактериями и красными водорослями для улавливания света для фотосинтеза ) и желчным пигментом билирубином (на структуру которого также влияет воздействие света, этот факт используется в фототерапии новорожденных с желтухой ). Термин «били» во всех этих названиях относится к желчи. Билины образуются из закрытого тетрапиррольного кольца гема в результате окислительной реакции, катализируемой гем-оксигеназой, с образованием характерной открытой цепи. Хлорофилл и гем ( гем ) имеют общего предшественника в форме протопорфирина IX и имеют одинаковую характерную замкнутую тетрапиррольную кольцевую структуру. В отличие от билинов гем и хлорофилл несут в центре кольца атом металла — железа или магния соответственно. [8]
Состояние P fr передает сигнал другим биологическим системам клетки, например, механизмам, ответственным за экспрессию генов . Хотя этот механизм почти наверняка является биохимическим процессом, он до сих пор остается предметом многочисленных дискуссий. Известно, что хотя фитохромы синтезируются в цитозоле и форма P r локализуется там, форма P fr , генерируемая световым освещением, транслоцируется в ядро клетки . Это подразумевает роль фитохрома в контроле экспрессии генов, и известно, что многие гены регулируются фитохромом, но точный механизм еще предстоит полностью раскрыть. Было высказано предположение, что фитохром в форме P fr может действовать как киназа , и было продемонстрировано, что фитохром в форме P fr может напрямую взаимодействовать с факторами транскрипции . [9]
Фитохромный пигмент был обнаружен Стерлингом Хендриксом и Гарри Бортвиком в Центре сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США-ARS в Белтсвилле в Мэриленде в период с конца 1940-х до начала 1960-х годов. Используя спектрограф , построенный из заимствованных и полученных в результате войны частей, они обнаружили, что красный свет очень эффективен для стимулирования прорастания или запуска реакции цветения. Реакция на красный свет была обратима под действием дальнего красного света, что указывает на наличие фотообратимого пигмента.
Фитохромный пигмент был идентифицирован с помощью спектрофотометра в 1959 году биофизиком Уорреном Батлером и биохимиком Гарольдом Сигельманом. Батлер также придумал название «фитохром».
В 1983 году лаборатории Питера Куэйла и Кларка Лагариаса сообщили о химической очистке интактной молекулы фитохрома, а в 1985 году Говард Херши и Питер Куэйл опубликовали первую последовательность гена фитохрома. К 1989 году молекулярная генетика и работа с моноклональными антителами установили, что существовало более одного типа фитохромов; например, было показано, что растение гороха имеет по крайней мере два типа фитохромов (тогда называемые типом I (обнаруженным преимущественно в темных сеянцах) и типом II (преобладающим в зеленых растениях)). Благодаря секвенированию генома теперь известно , что арабидопсис имеет пять генов фитохромов (PHYA-E), а у риса их только три (PHYA-C). Хотя это, вероятно, отражает состояние некоторых дву- и однодольных растений, многие растения являются полиплоидными . Следовательно , кукуруза , например, имеет шесть фитохромов — phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 и phyC2. Хотя все эти фитохромы имеют существенно разные белковые компоненты, все они используют фитохромомобилин в качестве светопоглощающего хромофора. Фитохром А или фиА быстро разлагается в форме Pfr — гораздо сильнее, чем другие члены семейства. В конце 1980-х годов лаборатория Виерстра показала, что phyA разлагается под действием убиквитиновой системы, первой естественной мишени системы, идентифицированной у эукариот.
В 1996 году Дэвид Кехо и Артур Гроссман из Института Карнеги при Стэнфордском университете идентифицировали белки в нитчатой цианобактерии Fremyella diplosiphon, названные RcaE, с фитохромом, подобным растительному, который контролирует красно-зеленый фотообратимый ответ, называемый хроматической акклимацией, и идентифицировали ген в секвенированной опубликовали геном цианобактерии Synechocystis , более похожий на геном растительного фитохрома. Это было первое свидетельство существования фитохромов за пределами царства растений. Джон Хьюз из Берлина и Кларк Лагариас из Калифорнийского университета в Дэвисе впоследствии показали, что этот ген Synechocystis действительно кодирует настоящий фитохром (названный Cph1) в том смысле, что это красный/дальнекрасный обратимый хромопротеин. Предположительно, фитохромы растений произошли от предкового фитохрома цианобактерий, возможно, путем миграции генов из хлоропласта в ядро. Впоследствии фитохромы были обнаружены у других прокариот , включая Deinococcus radiodurans и Agrobacterium tumefaciens . У Deinococcus фитохром регулирует выработку светозащитных пигментов, однако у Synechocystis и Agrobacterium биологическая функция этих пигментов пока неизвестна.
В 2005 году лаборатории Виерстра и Форест в Университете Висконсина опубликовали трехмерную структуру усеченного фитохрома Deinococcus (домены PAS/GAF). Эта статья показала, что белковая цепь образует узел — весьма необычную структуру для белка. В 2008 году две группы из Эссена и Хьюза в Германии и Янга и Моффата в США опубликовали трехмерные структуры всей фотосенсорной области. Одна из структур относилась к Synechocystis sp. (штамм PCC 6803) фитохрома в Pr и другой для фитохрома Pseudomonas aeruginosa в состоянии P fr . Структуры показали, что консервативная часть домена PHY, так называемый язык PHY, принимает различные складки. В 2014 году Такала и др. подтвердили, что рефолдинг происходит даже для одного и того же фитохрома (из Deinococcus ) в зависимости от условий освещения.
Примерно в 1989 году нескольким лабораториям удалось получить трансгенные растения , которые производили повышенное количество различных фитохромов ( сверхэкспрессия ). Во всех случаях полученные растения имели заметно короткие стебли и темно-зеленые листья. Гарри Смит и его коллеги из Лестерского университета в Англии показали, что, повышая уровень экспрессии фитохрома А (который реагирует на дальний красный свет), можно изменить реакцию избегания тени . [10] В результате растения могут тратить меньше энергии на то, чтобы вырасти как можно выше, и иметь больше ресурсов для выращивания семян и расширения своей корневой системы. Это может иметь много практических преимуществ: например, травинки, которые будут расти медленнее, чем обычная трава, не будут требовать столь частого скашивания, или сельскохозяйственные растения могут передавать больше энергии зерну вместо того, чтобы расти выше.
В 2002 году светоиндуцированное взаимодействие между растительным фитохромом и фактором взаимодействия с фитохромами (PIF) было использовано для контроля транскрипции генов у дрожжей. Это был первый пример использования фотобелков другого организма для управления биохимическим путем. [11]