Фитохромы — это класс фоторецепторных белков, обнаруженных в растениях , бактериях и грибах . Они реагируют на свет в красной и дальнекрасной областях видимого спектра и могут быть классифицированы как Тип I, которые активируются дальним красным светом, или Тип II, которые активируются 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 (фотобластию), синтез хлорофилла , удлинение сеянцев, размер, форму, количество и движение листьев , а также время цветения взрослых растений. Фитохромы широко экспрессируются во многих тканях и на многих стадиях развития. [2]
Другие фоторецепторы растений включают криптохромы и фототропины , которые реагируют на синий и ультрафиолетовый свет -A, а также UVR8 , который чувствителен к ультрафиолетовому свету -B.
Фитохромы состоят из белка , ковалентно связанного со светочувствительным хромофором билина . [4] Белковая часть состоит из двух идентичных цепей (A и B). Каждая цепь имеет домен PAS , домен GAF и домен PHY. Расположение доменов в фитохромах растений, бактерий и грибов сопоставимо, поскольку три N-концевых домена всегда являются доменами PAS, GAF и PHY. Однако C-концевые домены более расходятся. Домен PAS служит датчиком сигнала, а домен GAF отвечает за связывание с цГМФ, а также воспринимает световые сигналы. Вместе эти субъединицы образуют область фитохрома, которая регулирует физиологические изменения в растениях в ответ на изменения в условиях красного и дальнего красного света. В растениях красный свет изменяет фитохром на его биологически активную форму, в то время как дальний красный свет изменяет белок на его биологически неактивную форму.
Фитохромы характеризуются красной/дальнекрасной фотохромностью . Фотохромные пигменты изменяют свой «цвет» (спектральные свойства поглощения) при поглощении света. В случае фитохрома основным состоянием является P r , где r указывает на то, что он особенно сильно поглощает красный свет. Максимум поглощения представляет собой острый пик 650–670 нм, поэтому концентрированные растворы фитохрома кажутся человеческому глазу бирюзово-голубыми при просмотре в белом свете. Но как только красный фотон был поглощен, 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 поглощения 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 находится в физиологически активном или «сигнальном» состоянии.
Фитохромы также обладают способностью чувствовать свет, что заставляет растение расти по направлению к нему. Это называется фототропизмом . [7] Джаноуди и его коллеги хотели узнать, какой тип фитохрома отвечает за возникновение фототропизма, и провели серию экспериментов. Они обнаружили, что синий свет заставляет растение Arabidopsis thaliana проявлять фототропную реакцию; эта кривизна усиливается при добавлении красного света. [7] Они также обнаружили, что в растении присутствуют пять различных фитохромов, в то время как некоторые мутанты, которые не функционируют должным образом, выражают недостаток фитохромов. [7] Два из этих мутантных вариантов были очень важны для этого исследования: phyA-101 и phyB-1. [7] Это мутанты фитохрома A и B соответственно. Обычно функциональный фитохром A вызывает чувствительность к дальнему красному свету, и он вызывает регуляцию выражения кривизны по направлению к свету, тогда как фитохром B более чувствителен к красному свету. [7]
Эксперимент состоял из дикой формы Arabidopsis, phyA-101 (нулевой мутант фитохрома 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 потока света, измеряли кривизну. [7] Было установлено, что для достижения фенотипа , соответствующего фенотипу дикого типа, phyA-101 должен подвергаться воздействию на четыре порядка большей величины или около 100 мкмоль м −2 плотности потока. [7] Однако плотность потока, которая заставляет phyB-1 проявлять ту же кривизну, что и дикий тип, идентична плотности потока дикого типа. [7] Было обнаружено, что фитохром, который экспрессировал больше, чем обычно, количества фитохрома A, при увеличении плотности потока кривизна также увеличивалась до 10 мкмоль м −2, кривизна была аналогична дикому типу. [7] Фитохром, экспрессирующий больше, чем обычно, количества фитохрома B, демонстрировал кривизну, похожую на кривизну дикого типа при различных плотностях красного света вплоть до плотности 100 мкмоль-м −2 при плотностях выше этой кривизны, которая была намного выше, чем у дикого типа. [7]
Таким образом, эксперимент привел к выводу, что другой фитохром, а не только фитохром A, влияет на кривизну, поскольку мутант не так уж далек от дикого типа, а phyA вообще не экспрессируется. [7] Это привело к выводу, что за фототропизм должны отвечать две фазы. Они определили, что реакция происходит при низких и высоких плотностях потока. [7] Это связано с тем, что для phyA-101 порог кривизны наступает при более высоких плотностях потока, но кривизна также возникает при низких значениях плотности потока. [7] Поскольку порог мутанта наступает при высоких значениях плотности потока, было определено, что фитохром A не отвечает за кривизну при высоких значениях плотности потока. [7] Поскольку мутант по фитохрому B продемонстрировал реакцию, аналогичную реакции дикого типа, был сделан вывод, что фитохром B не нужен для усиления воздействия низкой или высокой плотности потока. [7] Было предсказано, что мутанты, которые сверхэкспрессируют фитохром A и B, будут более чувствительными. Однако показано, что сверхэкспрессия phy A на самом деле не влияет на кривизну, поэтому в диком типе достаточно фитохрома 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 phy B контролирует кривизну при высоких плотностях света. [7] В целом, они пришли к выводу, что фитохром A контролирует кривизну при низких плотностях света. [7]
Фитохромы также могут влиять на рост корней. Было хорошо задокументировано, что гравитропизм является основным тропизмом в корнях. Однако недавнее исследование показало, что фототропизм также играет свою роль. Положительный фототропизм, вызванный красным светом, был недавно зарегистрирован в эксперименте, в котором Arabidopsis использовался для проверки того, где в растении было наибольшее влияние на положительный фототропный ответ. Экспериментаторы использовали аппарат, который позволял корневой верхушке быть нулевым, так что гравитропизм не мог быть конкурирующим фактором. При помещении на красный свет корни Arabidopsis демонстрировали кривизну от 30 до 40 градусов. Это показывало положительный фототропный ответ на красный свет. Затем они хотели точно определить, куда в растении попадает свет. Когда корни были покрыты, при воздействии красного света искривление корней было небольшим или отсутствовало. Напротив, когда были покрыты побеги, наблюдался положительный фототропный ответ на красный свет. Это доказывает, что боковые корни — это то место, где происходит восприятие света. Для дальнейшего сбора информации о фитохромах, участвующих в этой активности, мутанты фитохромов A, B, D и E, а также корни дикого типа были подвергнуты воздействию красного света. Мутанты фитохромов A и B были серьезно повреждены. Не было никакой существенной разницы в реакции phyD и phyE по сравнению с диким типом, что подразумевает, что phyA и phyB отвечают за положительный фототропизм в корнях.
Химически фитохром состоит из хромофора , одиночной молекулы билина, состоящей из открытой цепи из четырех пиррольных колец, ковалентно связанных с белковой частью через высококонсервативную аминокислоту цистеин. Это хромофор, который поглощает свет и в результате изменяет конформацию билина и, следовательно, присоединенного белка, изменяя его из одного состояния или изоформы в другое.
Фитохромный хромофор обычно является фитохромобилином и тесно связан с фикоцианобилином (хромофор фикобилипротеинов , используемых цианобактериями и красными водорослями для захвата света для фотосинтеза ) и с желчным пигментом билирубином (структура которого также зависит от воздействия света, факт, используемый в фототерапии новорожденных с желтухой ). Термин «били» во всех этих названиях относится к желчи. Билины получаются из замкнутого тетрапиррольного кольца гема путем окислительной реакции, катализируемой гемоксигеназой, с образованием их характерной открытой цепи. Хлорофилл и гем ( Heme ) имеют общего предшественника в форме протопорфирина IX и имеют одну и ту же характерную структуру замкнутого тетрапиррольного кольца. В отличие от билинов, гем и хлорофилл несут атом металла в центре кольца, железа или магния соответственно. [8]
Состояние P fr передает сигнал другим биологическим системам в клетке, таким как механизмы, отвечающие за экспрессию генов . Хотя этот механизм почти наверняка является биохимическим процессом, он все еще является предметом многочисленных споров. Известно, что хотя фитохромы синтезируются в цитозоле и форма P r локализуется там, форма P fr , когда она генерируется 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]
Пигмент фитохрома был открыт Стерлингом Хендриксом и Гарри Бортвиком в сельскохозяйственном исследовательском центре USDA-ARS Beltsville в Мэриленде в период с конца 1940-х до начала 1960-х годов. Используя спектрограф, созданный из заимствованных и военных излишков деталей, они обнаружили, что красный свет очень эффективен для стимуляции прорастания или запуска реакций цветения. Реакции красного света были обратимы дальним красным светом, что указывает на присутствие фотообратимого пигмента.
Пигмент фитохром был идентифицирован с помощью спектрофотометра в 1959 году биофизиком Уорреном Батлером и биохимиком Гарольдом Сигельманом. Батлер также дал ему 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 показали , что существует более одного типа фитохрома; например, было показано, что у гороха есть по крайней мере два типа фитохрома (тогда называемые типом I (найден преимущественно в выращенных в темноте проростках) и типом II (преобладает в зеленых растениях)). Теперь с помощью секвенирования генома известно , что у Arabidopsis пять генов фитохрома (PHYA - E), а у риса только три (PHYA - C). Хотя это, вероятно, отражает состояние нескольких двудольных и однодольных растений, многие растения являются полиплоидными . Так , например, у кукурузы есть шесть фитохромов — phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 и phyC2. Хотя все эти фитохромы имеют существенно разные белковые компоненты, все они используют фитохромобилин в качестве поглощающего свет хромофора. Фитохром A или phyA быстро деградирует в форме Pfr — гораздо быстрее, чем другие члены семейства. В конце 1980-х годов лаборатория Виерстры показала, что phyA деградирует под действием системы убиквитина, 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 похожим на фитохром растений, который контролировал красно-зеленый фотообратимый ответ, называемый хроматической акклиматизацией, и идентифицировали ген в секвенированном, опубликованном геноме цианобактерии Synechocystis с более близким сходством с генами фитохрома растений. Это было первое доказательство фитохромов за пределами растительного царства. Джон Хьюз в Берлине 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/дальний красный обратимый хромопротеин. Предположительно фитохромы растений произошли от предкового фитохрома цианобактерий, возможно, путем миграции генов из хлоропласта в ядро. Впоследствии фитохромы были обнаружены и в других прокариотах , включая Deinococcus radiodurans и Agrobacterium tumefaciens . У Deinococcus фитохром регулирует выработку светозащитных пигментов, однако у Synechocystis и Agrobacterium биологическая функция этих пигментов до сих пор неизвестна.
В 2005 году лаборатории Вирстры и Фореста в Университете Висконсина опубликовали трехмерную структуру усеченного фитохрома Deinococcus (домены PAS/GAF). В этой статье было показано, что белковая цепь образует узел — весьма необычную структуру для белка. В 2008 году две группы вокруг Эссена и Хьюза в Германии и Янга и Моффата в США опубликовали трехмерные структуры всего фотосенсорного домена. Одна структура была для фитохрома Synechocystis sp. (штамм PCC 6803) в Pr, а другая — 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.
Около 1989 года несколько лабораторий успешно создали 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 Университета Лестера в Англии показали, что, увеличивая уровень экспрессии фитохрома А (который реагирует на дальний красный свет), можно изменить реакцию избегания тени . [10] В результате растения могут тратить меньше энергии на рост как можно выше и иметь больше ресурсов для выращивания семян и расширения своих корневых систем. Это может иметь много практических преимуществ: например, травинки, которые будут расти медленнее, чем обычная трава, не будут нуждаться в частом скашивании, или сельскохозяйственные культуры могут передавать больше энергии зерну вместо того, чтобы расти выше.
В 2002 году светоиндуцированное взаимодействие между фитохромом растения и фактором взаимодействия с фитохромом (PIF) было использовано для контроля транскрипции генов в дрожжах. Это был первый пример использования фотопротеинов из другого организма для контроля биохимического пути. [11]