Профилирование транскриптов метаболитов в клетках корней при дефиците O2

В последние годы транскриптные профили в процессе адаптации растений к условиям гипоксии проанализированы у целого ряда видов: арабидопсиса, риса, цитрусовых и других культур. Было установлено, что транскрипты экспрессируются дифференциально в условиях дефицита O2. В этот процесс вовлечены не только анаэробные белки,

и белки аминокислотного метаболизма, но и реакции на окислительный стресс, регуляция экспрессии генов и сигнализации. Недавно также обнаружено, что наряду с транскрипционным регулированием заметный вклад в контроль экспрессии этих генов вносят трансляционные механизмы. Интересные данные получены в ходе комплексного анализа посттрансляционных механизмов, опосредованных изменением метаболитного пула в процессе адаптации к гипоксии на фоне изменения скорости роста корней арабидопсиса. Снижение концентрации O2 с 21 до 8% уже уменьшает скорость роста на 25%, а последующее снижение до 4, 1 и 0% O2 ингибирует скорость роста соответственно на 45, 70 и 100% (рис. 7.8). Подобная адаптивная реакция направлена на снижение расходования АТФ в условиях ограниченного доступа O2. Выдерживание проростков при концентрациях 1, 4, 8 и 12% O2 в течение 0,5; 2 и 48 ч привело к большей ап-регуляции, нежели даун-регуляции генов, что указывает на перепрограммирование экспрессии генов с целью индукции важных в процессе адаптации к гипоксии (рис. 7.9). Число ап-регулируемых генов повышалось с увеличением экспозиции гипоксического воздействия и степени дефицита O2, достигнув примерного максимума (около 300 генов) при 1% O2 и экспозиции 48 ч. Число даун-регулируемых генов обнаружило аналогичную динамику, достигнув максимума — около 180 генов.

Изменения в экспрессии генов были классифицированы на базе функций белков, которые они кодируют. В целом самая существенно и дифференциально экспрессируемая категория содержит гены, кодирующие транспортные белки. По меньшей мере при одной концентрации O2 и одной экспозиции обнаружены реакции транскриптов генов, участвующих в сигналлинге, дыхании, клеточном метаболизме, регуляции редокс-потенциала, что указывает на их координированную регуляцию при дефиците O2. Одновременно в этих условиях обнаружено преимущественное снижение транскриптов генов, кодирующих белки, связанные с АТФ-потребляющими процессами, и увеличение таковых для АТФ-синтезирующих процессов (дыхание).

На диаграмме Венна (рис. 7.10) показаны гены, которые ап-регулируются при всех трех концентрациях O2 и трех экспозициях. Через 30 мин индуцировались 7 генов, кодирующих в том числе семейство белков раневой реакции, LOВ-домен белка 41, АДГ и три белка, функция которых неизвестна. Эти гены индуцировались также при всех трех концентрациях O2 и 2-часовой экспозиции наряду с пятью дополнительными генами, кодирующими сахарозосинтазу, пируватдекарбоксилазу, несимбиотический гемоглобин I и два белка с неизвестной функциий. После 48-часовой экспозиции только один ген, кодирующий несимбиотический гемоглобин-1, ап-регулировался при искомых концентрациях O2. Диапазон ап-регуляции этих генов при 8% O2 варьирует в зависимости от экспозиции, оставаясь высоким через 30 мин и 2 ч и снижаясь через 48 ч, что указывает на наличие быстрой и медленной реакций на дефицит O2. Таким образом, малый, но высокоспецифичный набор генов активировался в ответ на умеренное снижение концентрации O2 (с 21 до 8%). При всех экспозициях индукция генов, наблюдаемая при 8% O2, сохранялась и при снижении концентрации до 4 и даже до 1%. Полученные в экспериментах данные указывают на то, что индукция, видимо, является результатом изменения именно концентрации O2, а не связанных с аноксией явлений.

Об этом свидетельствует также изучение профилей метаболитов в клетке. Из примерно 40 метаболитов в том же опыте были выделены 15 метаболитов, заметно изменяющих свои концентрации в ответ на по меньшей мере одну пониженную концентрацию O2. Эти метаболиты включали галактинол, миоинозитол и трекаллозу, аминокислоты (аланин, пролин, глутамат, ГАМК, циклосерин), фосфорилированные интермедиаты (глюкозо-6-фосфат, глицерол-3-фосфат) и ряд органических кислот (глутарат, треоновую и никотиновую кислоты). Большинство метаболитов показывали различную реакцию на дефицит O2 при разных экспозициях. Так, уровни галактинола и миоинозитола увеличивались при 4 и 1% O2 и экспозиции 48 ч, в то время как трекаллоза повышалась при 1% O2 и экспозиции 30 мин. Содержание аминокислот (аланина, про-лина, глутамата и ГАМК) снижалось при дефиците кислорода продолжительностью 30 мин и 2 ч, но увеличивалось через 48 ч. Уровень искомых фосфорилированных интермедиатов увеличивался в ответ на пониженную концентрацию O2 в течение 48 ч, но обнаруживал тенденцию к понижению через 30 мин дефицита O2.

Таким образом, результаты этого комплексного опыта показывают, что адаптивные изменения в росте корней растяжением, включающие крупномасштабное перепрограммирование экспрессии генов, происходят даже при слабой гипоксии.