Экспансины — это семейство близкородственных неферментативных белков, обнаруженных в клеточной стенке растений , которые играют важную роль в росте растительных клеток, размягчении плодов, опадении, появлении корневых волосков, проникновении пыльцевой трубки в рыльце и столбик, функции меристемы и других процессах развития. где происходит ослабление клеточной стенки. [1] Экспансины были первоначально обнаружены как медиаторы кислотного роста , что относится к широко распространенному свойству растущих клеточных стенок растений расширяться быстрее при низком (кислом) pH , чем при нейтральном pH. [2] Таким образом, экспансины связаны с действием ауксина . Они также связаны с увеличением клеток и изменениями клеточной стенки, вызванными другими растительными гормонами, такими как гиббереллин , [3] цитокинин , [4] этилен [5] и брассиностероиды . [6]
Подмножество β-экспансинов также является основными аллергенами пыльцы трав 1-й группы. [7]
На данный момент у растений обнаружено два больших семейства генов экспансинов, названных альфа-экспансинами (обозначенными генным символом EXPA) и бета-экспансинами (EXPB). Оба семейства экспансинов были идентифицированы у широкого спектра наземных растений, от покрытосеменных и голосеменных до папоротников и мхов. Модельное растение Arabidopsis thaliana содержит около 26 различных генов α-экспансина и 6 генов β-экспансина. Подмножество β-экспансинов приобрело особую роль в пыльце трав, где они известны как аллергены пыльцы трав группы 1. [7] Растения также имеют небольшой набор экспансин-подобных генов (названных EXLA и EXLB), функция которых не установлена. [8] Известно, что некоторые белки бактерий и грибов имеют отдаленное сходство последовательностей с экспансинами растений. [9] [10] [11] Убедительные доказательства того, что по крайней мере некоторые из этих последовательностей действительно являются экспансинами, были получены в 2008 году [12] , когда было показано, что кристаллическая структура белка YOAJ из бактерии ( Bacillus subtilis ) очень похожа на структуру растительных экспансинов, несмотря на малое сходство последовательностей. В этом исследовании также было отмечено, что белки, родственные YOAJ, были обнаружены у различных видов фитопатогенных бактерий, но не у родственных бактерий, которые не атаковали и не колонизировали растения, что позволяет предположить, что эти бактериальные экспансины играют роль во взаимодействиях растений и микробов. Некоторые животные, такие как Globodera rostochiensis , нематода , паразитирующая на растениях , могут вырабатывать функциональный экспансин, который использует его для ослабления клеточных стенок при вторжении в растение-хозяин. [13]
Чтобы быть обозначенными как экспансины или экспансин-подобные, гены и их белковые продукты должны содержать как домен I ( N-концевой , каталитический, GH45-подобный — GH означает гликозид-гидролазу), так и домен II ( С-концевой , отдаленно родственный группе 2 аллергена пыльцы трав). [8] [14] Нерастительные экспансины могут обозначаться символом EXXLX (экспансин-подобный X), но они не составляют монофилетическую группу; [8] отдаленно похожи на растительные экспансины, [9] они могли дивергировать до возникновения наземных растений или же могли быть приобретены путем горизонтального переноса.
Номенклатура генов и белков экспансинов и экспансин-подобных: например, Arabidopsis thaliana EXPANSIN A1 называется « AtEXPA1 » в отношении гена и «AtEXPA1» в отношении белка; к мутантному аллелю 1 добавляется «-1».
Экспансины обычно вызывают релаксацию напряжений в стенках и необратимое растяжение стенок (ползучесть стенок). [15] Этот процесс необходим для увеличения клеток. Экспансины также экспрессируются в созревающих плодах, где они участвуют в размягчении плодов, [16] и в пыльце трав, [7] , где они ослабляют стенки стигматических клеток и способствуют проникновению пыльцевой трубки в прорастающие семена рыльца для разборки клеточной стенки, [17] в цветочных органах для формирования рисунка, в развитии азотфиксирующих клубеньков у бобовых, в абсцедирующих листьях, в растениях-паразитах и в «воскрешающих» растениях при их регидратации. У экспансина не обнаружено ферментативной активности и, в частности, глюканазной активности: они не гидролизуют полисахариды матрикса; [15] таким образом, единственным точным анализом активности экспансина является измерение релаксации напряжения стенки или растяжения стенки.
Экспансины представляют собой белки; два первоначально обнаруженных экспансина имели молекулярную массу 29 кДа (килодальтон) и 30 кДа, [2] что в среднем соответствовало примерно 270 аминокислотам. Вообще говоря, α- и β-экспансины и экспансиноподобные вещества состоят примерно из 300 аминокислот [9] с молекулярной массой ~ 25–28 кДа для зрелого белка. Пептидная последовательность экспансина состоит, в частности, из: сигнального пептида, состоящего примерно из 20–30 аминокислот на N-конце, предполагаемого каталитического домена, мотива His-Phe-Asp (HFD) в центральной области (кроме EXL) и С-концевой предполагаемый целлюлозосвязывающий домен с консервативными остатками Trp ( триптофана ). Анализ последовательности генов экспансина показывает семь интронов с названиями A, B, C, D, E, F и G; последовательности разных генов экспансинов показывают хорошее соответствие, организация экзон/интрон консервативна среди α- и β-экспансинов, а также экспансин-подобных генов, [18], хотя количество интронов и длина каждого интрона различаются между генами. В N-концевых сигнальных последовательностях генов α-экспансина общее отсутствие сигнала удержания эндоплазматического ретикулума (KDEL или HDEL) подтверждает, что белки нацелены на клеточную стенку. Анализ промотора генов экспансинов показывает, что экспрессия этих генов может регулироваться ауксином, гиббереллином, цитокинином или этиленом, причем это чаще встречается у α-экспансинов, чем у β-экспансинов; полуводные растения, такие как Rumex palustris , которые быстро растут при погружении в воду, демонстрируют индукцию транскрипции при погружении, так же, как и в рисе, где гипоксия и погружение повышают уровни мРНК альфа-экспансина. [18]
Стенка растительной клетки имеет высокую прочность на разрыв , и ее необходимо ослабить, чтобы клетка могла расти (необратимо увеличиваться). [19] Внутри клеточной стенки это расширение площади поверхности включает проскальзывание или движение микрофибрилл целлюлозы , что обычно связано с одновременным поглощением воды. С физической точки зрения, этот способ расширения стенок требует давления на тургор клеток , чтобы растянуть клеточную стенку и поставить под напряжение сеть взаимосвязанных целлюлозных микрофибрилл. Ослабляя связи между микрофибриллами целлюлозы, экспансины позволяют стенке поддаваться растягивающим напряжениям, создаваемым в стенке за счет тургорного давления. Молекулярный механизм, с помощью которого экспансин ослабляет целлюлозную сеть внутри клеточной стенки, еще детально не установлен. Однако предполагается, что экспансин нарушает нековалентную адгезию или захват гемицеллюлозы на поверхности целлюлозных микрофибрилл. Гемицеллюлозы могут связывать микрофибриллы целлюлозы вместе, образуя прочную несущую сеть. Считается, что экспансин временно разрушает ассоциацию целлюлоза-гемицеллюлоза, позволяя проскальзывать или перемещать полимеры клеточной стенки до того, как ассоциация реформируется и целостность сети клеточной стенки будет восстановлена. [20]
Возвращаясь к функции бактериальных экспансинов, бактериальный белок YOAJ или BsEXLX1 связывается со стенками клеток растений и бактерий и обладает слабой, но значительной экспансиновой активностью [12] , то есть он индуцирует растяжение клеточной стенки растений in vitro. Более того, мутанты B. subtilis , лишенные BsEXLX1, были дефектны в колонизации корней растений, что позволяет предположить, что этот белок облегчает взаимодействие растений и бактерий.
В пыльце трав основные аллергены ( аллергены группы 1 , основные возбудители сенной лихорадки и сезонной астмы ) структурно связаны с подгруппой β-экспансинов. [7] Эти экспансины, по-видимому, специализируются на опылении, вероятно, на разрыхлении клеточных стенок материнских тканей во время проникновения пыльцевой трубки в рыльце и стигму, о чем свидетельствует их мощное реологическое воздействие на стебель травы и стенки рыльца, где они обильно выделяется пыльцой. Экспансин-подобные белки участвуют в аллергенах травы групп 2 и 3 и менее важны, чем аллергены группы 1. Эти три группы аллергенов имеют общий углеводсвязывающий модуль (CBM), который может отвечать за связывание с антителом IgE. [21] Домен экспансина II, вызывающий аллергенные эффекты, может быть связан с конкуренцией между пыльцой за доступ к семяпочкам. [22]