Микрорнк опосредованная регуляция экспрессии генов cu/zn-сод в растении thellungiella salsuginea при стрессе
На правах рукописи
Пашковский Павел Павлович МикроРНК опосредованная регуляция экспрессии генов Cu/Zn-СОД в растении Thellungiella salsuginea при стрессе 03.01.05 – физиология и биохимия растений
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в лаборатории физиологических и молекулярных механизмов адаптации Учреждения Российской академии наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва.
Научный консультант:
кандидат биологических наук Радюкина Наталия Львовна
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Новикова Галина Викторовна доктор биологических наук, профессор Тараканов Иван Германович
Ведущая организация: Московский государственный университет им. М.В. Ломоно сова, биологический факультет.
Защита состоится «21» июня 2011 г. в 13 часов на заседании совета по защите доктор ских и кандидатских диссертаций Д 002.210.01 при Учреждении Российской акаде мии наук Институте физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН по адресу:
127276, Москва, ул. Ботаническая, 35.
Факс: (499) 977 8018, электронная почта: [email protected];
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН.
Автореферат разослан «19» мая 2011 г.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, кандидат биологических наук М.И. Азаркович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Изучение устойчивости растений к действию неблагопри ятных факторов внешней среды остается одним из центральных направлений физио логии растений. На сегодняшний день, очевидно, что существует сеть метаболиче ских реакций, формирующих способность растений адаптироваться к изменяющимся условиям. Однако наименее изученным аспектом в проблеме устойчивости остается вопрос о регуляторных механизмах, позволяющих координировать функционирова ние всего комплекса реакций защитного ответа. Регуляция стрессорного ответа может осуществляться на генном, транскрипционном, посттранскрипционном, трансляцион ном и посттрансляционном уровнях организации. Одним из важных элементов по сттранскрипционной регуляции активности генов является механизм умолкания ге нов, обусловленный РНК-интерференцией (РНКи). Обнаружение феномена РНКи в опытах на нематоде в 1998 году позволило выявить новый пласт регуляторных про цессов, которые вовлечены в регуляцию экспрессии генов у большинства эукариот. В настоящее время механизм РНКи стал важным инструментом функциональной гено мики, позволяющий специфически регулировать активность генов. В последнее время стало ясным, что в основе механизмов РНКи лежат процессы умолкания генов, кото рый обусловлен экспрессией малых РНК.
В растениях Arabidopsis thaliana L. было обнаружено два основных класса ма лых РНК размером 21-23 нк., участвующих в подавлении экспрессии генов: siРНК (small interfering РНК) (Baulcombe, 1999) и миРНК (micro РНК) (Bartel, 2001). Роль siРНК заключается в защите клетки от вызванной РНК-вирусами инфекции, в то вре мя как миРНК закодированы в геноме многоклеточных организмов в виде шпилечно го предшественника (пре-миРНК) и регулируют активность генов в цитоплазме и яд ре (Bartel, 2004).
Недавние исследования показали, что миРНК способны регулировать комплекс биологических процессов в растениях такие как гормональный контроль, иммунный ответ, полярный рост и адаптация к неблагоприятным условиям (Voinnet, 2009). Все больше появляется данных о том, что в условиях стресса изменяется как экспрессия миРНК, так и экспрессия мРНК – генов мишеней, а также активность миРНК белковых комплексов (Leung et al., 2010).
После проведения биоинформационного анализа было выдвинуто предположение о возможной посттранскрипционной регуляции генов Cu/Zn-СОД с помощью miR398 (Bonnet, 2004;
Sunkar, 2004). Изменение уровня экспрессии miR было отмечено у A. thaliana под действием абиотических стресс-факторов и при бактериальном поражении растений (Sunkar, 2006).
В работах Yamasaki (2007) сообщалось, что изменение содержания меди в питательной среде растений влияет на экспрессию, как минимум, двух из трех МИР генов, кодирующих miR398 (miR398 b, c), при этом также изменялся уровень мРНК генов CSD. Несмотря на это, точный молекулярный механизм данного процесса остается пока слабо изученным. К тому же остается неизвестным факт наличия miR398 опосредованной регуляции генов CSD у более устойчивых к действию абио тических стрессов растений-галофитов.
Из всего вышесказанного становится очевидным, что изучение явления РНКи открывает большие перспективы для понимания механизмов миРНК-опосредованной регуляции экспрессии генов в растениях, а также позволяет создавать трансгенные растения нового поколения, реализующие свой адаптивный потенциал для сохране ния продуктивности в условиях стресса.
Цель диссертационной работы заключалась в исследовании роли микроРНК в посттранскрипционной регуляции генов Cu/Zn-СОД и гена CCS в растении Thel lungiella salsuginea (Pallas) (Th. salsuginea) при действии стрессоров различной физической природы.
Задачи исследования:
1. Исследовать экспрессию семейства генов miR398 и изучить изменение уровня экспрессии miR398 при действии различных видов абиотических стрессоров (засоление, UV-B, свет высокой интенсивности, различные концентрации меди в питательной среде растений).
2. Исследовать органоспецифичность экспрессии miR398 при стрессе.
3. Сравнить закономерности процессинга miR398 с экспрессией генов Cu/Zn СОД.
4. Исследовать экспрессию генов Cu/Zn-СОД и гена CCS у растений Th. salsugi nea при различном содержании меди в питательной среде в связи с изменением уровня экспрессии miR398.
5. Исследовать уровень экспрессии генов Argonaute (Ago), экзонуклеазы Dicer like1 (DCL1), транскрипционного фактора Squamosa promoter binding protein-like (SPL7), РНК-зависимой РНК-полимеразы 1 (RdRP1), вовлеченных в процесс образования и функционирования miR398 в условиях стресса.
Научная новизна проведенных исследований. Впервые показано, что экспрессия miR398 наблюдается у растений-галофитов. Установлено, что у растений Th.
salsuginea мишенью консервативной miR398 могут выступать мРНК цитозольной Cu/Zn-СОД (CSD1). Другой из возможных мишеней miR398 может быть мРНК шапе рона меди CCS1, доставляющего ионы меди к апобелкам Cu/Zn-СОД в различные компартменты клетки.
Впервые показано, что экспрессия miR398 осуществляется не только в надзем ной части растений, но и в корнях взрослых растений Th. salsuginea, что свидетельст вует об отсутствии органоспецифичности. Показано, что у растений Th. salsuginea экспрессия miR398 зависит от концентрации меди в питательной среде, и в условиях её отсутствия значительно увеличивается, вызывая умолкание гена CSD1, а также ге на CCS1. Это подтверждает важную биологическую роль miR398 опосредованной ре гуляции экспрессии генов при стрессе у растений Th. salsuginea, а также указывает на возможность существования в растительных клетках множества мишеней для уже от крытых в настоящее время микроРНК.
Практическая ценность. Полученные в результате проведенных исследований данные расширяют представления о регуляторных механизмах функционирования защитного ответа растений на повреждающие воздействия стрессоров. Исследован ное в ходе работы явление миРНК опосредованной регуляции генов антиоксидантных ферментов, указывает на наличие посттранскрипционных превращений мРНК на пути созревания соответствующих белков у растений Th. salsuginea. Возможно также, что этот механизм принимает участие в сигнальном каскаде в растениях, находящихся в условиях стресса, или при изменении концентрации эссенциальных элементов в питательной среде. Полученные данные могут быть использованы для разработки стратегии создания трансгенных растений, реализующих свой потенциал для сохранения высокой продуктивности в условиях стресса. Все полученные материалы могут быть включены в курс лекций для студентов биологических ВУЗов.
Апробация результатов работы. Данные, представленные в работе, докладывались на конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (г. Пущино, Россия, 2009, 2010, 2011), XVII Congress of the Federation of European Societies of Plant Biology (г. Валенсия, Испания, 2010), а также на Годичном собрании ОФР (г. Апатиты, Мурманская область, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из которых 4 в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 2 схемы и 28 рисунков.
Список цитируемой литературы составляет 153 наименования, из которых 142 на иностранном языке.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объект исследования.
Объектом исследований являлись растения Thellungiella salsuginea (Pallas) (Th.
salsuginea), выращенные в водной культуре на среде Джонсона, модифицированной по Винтер, в камере фитотрона при температуре 23 ± 1°C днем и 16 ± 1°C ночью. При достижении растениями возраста 6 недель (стадия розетки) их разделяли на четыре группы и подвергали обработке: NaCl (100 мМ и 300 мМ), CuSO4 (0;
1 и 100 мкМ), облучению UV-B в камере с УФ лампами (280-315 нм, 3.94-4.43 эВ, "Philips", Голлан дия) в течение 10 и 20 минут (12,3 и 24,6 кДж/м2 соответственно) или светом высокой интенсивности (20 мин, ДНАТ ФАР 54,1 Вт/м2, 650–750 нм., "Reflux 250", Россия).
Питательный раствор, не содержащий ионов меди, готовили в кюветах, обработанных 100мМ ЭДТА с применением деионизированной воды. Корни растений перед перене сением на среду без меди промывались 10 мМ ЭДТА. Пробы листьев и корней отби рали сразу после начала эксперимента и через 24 ч, полученные образцы хранили при -70оС. Эксперименты проводили в трех биологических и трех аналитических повтор ностях. В исследованиях для сравнительной оценки изучаемых параметров был ис пользован контрастный по устойчивости вид - Arabidopsis thaliana L. Dijon.
Методы исследования. Выделение тотальной РНК осуществляли с реактивом TRIZOLтм (Invitrogen, США). После гомогенизации проводили экстракцию фенол хлороформной смесью (pH=4,3), образцы инкубировали 10 минут на льду, центрифу гировали 15 мин 8000 g (+4°С). РНК осаждали 3М СН3СООNa (рН=5,5) и абсолют ным этанолом в течение 12 ч при -70°С, с последующим центрифугированием 30 мин при 10000 g (+4°С). Осадок промывали абсолютным этанолом, центрифугировали мин при 10000 g (+4°С) и подсушивали при 42°С. Осадок растворяли в 20-30 мкл RNA Loading Dye Solution (Fermentas, Канада) и определяли концентрацию РНК. Для Нозерн-блот гибридизации проводили гель-электрофорез 30 мкг тотальной РНК в 20% ПААГ (процентное отношение массы бисакриламида к общей массе обоих мо номеров составляло 5%) в присутствии 7М мочевины, затем блот-перенос на мембра ну Hybond-N+ (Amersham, США) с последующим ее инкубированием под UV-B в следующей последовательности: 50 сек. 360 нм, 10 сек. 240 нм. Мембрану гибридизо вали в течение 12 ч с антисмысловым ДНК-олигонуклеотидом к miR398, меченным Р по 5`-концу. Мембрану анализировали с помощью сканера Typhoon™ 9410 (GE Healthcare, США). Для контроля загрузки полученный фильтр после сканирования отмывали и вновь гибридизовали с антисмысловым радиоактивно меченым ДНК оли гонуклеотидом, комплементарным малой ядерной РНК U6. Полученные результаты обрабатывались как отношение свечения образцов миРНК к свечению контроля за грузки U6 и выражались в процентах от контрольных значений.
Оценку содержания белка CSD1 и CCS1 проводили с помощью вестерн-блот анализа. Белки экстрагировали буфером: 50 мМ Tris-HCl (pH=8);
глицерин 10%;
SDS 5%;
-меркаптоэтанол 5%;
ЭДТА 25 мМ;
коктейль ингибиторов протеаз (Fermentas, Канада) 0,1%;
PMSF 1мМ. Определение концентрации белков проводили по Smith (1985) с бицинхониновой кислотой (Acros, США). Концентрацию белка рассчитывали по калибровочной кривой, построенной с использованием растворов БСА с известной концентрацией.
Электрофорез белковой фракции в денатурирующих условиях проводили в 15% полиакриламидном геле по стандартной методике Laemmli (1970) на приборе Bio-Rad «Miniprotean 3» (США). Процентное отношение массы бисакриламида к об щей массе обоих мономеров составляло 0,25%.
Вестерн-блотинг проводили по методу Tobin (1979). Электро-блотинг осущест вляли в течение 2 ч (1В/1см2). После стандартной процедуры подготовки (Маниатис и др., 1984) мембрану инкубировали с первичными поликлональными антителами на Сu/Zn-СОД CSD1 и шаперона меди для СОД CCS1 в течение 12 ч при +4°С. После отмывки мембраны проводили реакцию с вторичными антителами, конъюгирован ными с флуоресцентным соединением Dy-Light 488 (Agrisera, Швеция) в течение 1 ч, затем мембрану отмывали и сканировали на Typhoon™ 9410 (GE Healthcare, США).
Синтез кДНК осуществляли с помощью M-MLV Reverse Transcriptase Kit (Fermentas, Канада) и праймером oligo(dT)21. Далее проводили ПЦР с ген специфичными праймерами, подобранными с использованием нуклеотидных после довательностей генов баз данных NCBI (National center of bioinformatics, США, www.ncbi.nlm.nih.gov) в среде программы Vector NTI Suite 9 (Invitrogen, США). Ко личественную оценку ампликонов проводили на сканере Typhoon™ 9410 (GE Healthcare, США). Результаты экспериментов подвергали математической обработке, средние значения и их стандартные отклонения получены в результате проведения трех независимых повторений эксперимента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 1. Разработка методических подходов для исследования экспрессии miR398.
Для исследования экспрессии miR398 был осуществлен биоинформационный анализ последовательностей 3`-НТО мРНК генов CSD растений Thellungiella и Arabi dopsis по выявлению сайтов связывания с известными последовательностями miR398.
Для этого в программной среде Vector NTI 9.0 (Invitrogen, США) были выровнены по следовательности мРНК CSD1, найденные в базе данных NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) относительно miR398, обнаруженных в базе данных ма лых РНК (http://www.mirbase.org) (рис. 1).
Рис.1 Выравнивание последовательностей 3`-НТО мРНК гена CSD1 некоторых выс ших растений относительно друг друга и относительно miR398 a, b, c Arabidopsis thaliana.
На основе полученных биоинформационных и литературных данных был раз работан антисмысловой ДНК олигонуклеотид, который затем испытывали в качестве зонда методом Нозерн-блот гибридизации в системе положительных и отрицатель ных контролей. В качестве положительного контроля использовали искусственный олигонуклеотид (ЛиТех, Москва), соответствующий по своей нуклеотидной последо вательности miR398, в концентрации 10 фM. Разработанный зонд показал высокий уровень комплементарности к последовательности искусственного олигонуклеотида, соответствующего miR398, а также последовательностям miR398, обнаруженных в тотальной РНК Th. salsuginea. Растительные миРНК, в отличие от животных, высоко комплементарны последовательностям мРНК своих мишеней, что обуславливает строго определенное количество целевых генов, способных регулироваться одной миРНК. Однако у растений A. thaliana в последовательностях в 3`-НТО области мРНК гена CCS1, шаперона меди, доставляющего медь к апобелкам Cu/Zn-СОД, были обна ружены сайты связывания с miR398, что может указывать на возможность регуляции Cu/Zn-СОД не только прямо, но и косвенно через регуляцию экспрессии CCS (Beauclair et al., 2010).
При проведении биоинформационного анализа мРНК CCS1 некоторых видов высших растений в 3`-НТО этих мРНК, был идентифицирован возможный сайт связывания, который согласно выравненным последовательностям также может являться областью взаимодействия с miR398 (рис. 2).
Рис.2 Выравнивание последовательностей 3`-НТО мРНК гена CCS1 некоторых высших растений относительно друг друга и относительно miR398 a, b, c A. thaliana.
2. Анализ уровня экспрессии miR398 у различных видов растений.
Среди примерно тысячи растительных МИР генов, представленных в базе дан ных миРНК (http://microrna.sanger.ac.uk/sequences), 100 семейств родственных миРНК образуют эволюционный ряд микроРНК A. thaliana. Некоторые семейства миРНК консервативны у мхов и плауновидных, что указывает на их древнее происхождение.
Другие семейства миРНК развились после разделения на высшие растения и мхи, но до появления однодольных и двудольных. Семейство miR398, вероятно, является од ним из примеров сравнительно недавнего эволюционного приобретения высших рас тений (Vionnet, 2009). Из представленных на рисунке 3 результатов Нозерн-блот гиб ридизации видно, что радиоактивно меченый зонд связался с тотальной РНК, выде ленной из листьев и корней Th. salsuginea и A. thaliana. Ровная конститутивная экс прессия U6 указывает на равномерность загрузки выделенной РНК представленных растений.
Рис. 3 Результат Нозерн-блот гибридизации 30 мкг тотальной РНК из листьев и корней растений с антисмысловым зондом к последовательностям miR398 A. thaliana.
Нозерн-блот гибридизация с зондом, комплементарным miR398 A. thaliana, вы явила у галофита Th. salsuginea малую РНК размером 21 нуклеотид (рис. 3). При про ведении Нозерн-блот гибридизации во фракции тотальной РНК Th. salsuginea также была выявлена более длинная РНК, которая, по всей видимости, является предшест венником, а именно пре-миРНК miR398. Длина этого фрагмента примерно на 10 нук леотидов больше, чем длина пре-миРНК miR398 у A. thaliana (EU549620.1) (данные не приведены).
Таким образом, на основании проведенных исследований, нами было установ лено, что miR398 конститутивно экспрессируется в листьях и корнях растений гало фита Th. salsuginea.
3. Исследование экспрессии miR398 и CSD1 при действии NaCl, света высокой интенсивности и UV-B облучения на растения Th. salsuginea.
Важная роль miR398 в регуляции гена CSD1 была показана у растений A.
thaliana, находившихся под действием абиотических стресс-факторов (Sunkar et al., 2006). Поскольку A. thaliana и Th. salsuginea контрастно различаются по степени ус тойчивости к действию засоления, было важно исследовать изменения уровня экс прессии miR398 у галофита Th. salsuginea в условиях действия NaCl. Анализ экспрес сии гена CSD1 у Th. salsuginea методом ОТ-ПЦР позволил установить, что на среде с NaCl (300 мМ) уровень мРНК CSD1 увеличивается в корнях, но снижается в листьях через 24 ч после начала обработки. Как было обнаружено ранее, растения Th.
salsuginea отвечают на действие NaCl (300 мМ) повышением общей активности СОД (Радюкина и др., 2008). Как показал анализ экспрессии miR398 (Нозерн-блот) в расте ниях Th. salsuginea при действии 300 мМ NaCl уровень miR398 в листьях повышался через 24 ч, в то время как в корнях он снижался. (рис. 4).
Рис. 4 Изменение уровней экспрессии miR398 (Нозерн-блот) и мРНК CSD1 (ОТ-ПЦР) в корнях и листьях растений Th. salsuginea при действии 300 мМ NaCl, 20 минут света высокой интенсивности и 20 минут UV-B через 24 часа после начала эксперимента.
Сравнение уровней miR398 и мРНК гена CSD1 в корнях и, особенно, в листьях, как и у A. thaliana в условиях засоления, выявило обратное соотношение уровней их экспрессии через 24 часа после обработки NaCl (рис 4.).
Галофиты, как правило, произрастают в регионах с засушливым климатом и помимо избыточного содержания солей в почве подвергаются действию комплекса ксеротермических факторов, одним из которых является солнечная радиация. Чтобы выяснить действует ли механизм миРНК опосредованной регуляции экспрессии генов CSD только при солевом стрессе, или функционирует в ответ на действие стрессоров иной природы, мы изучили экспрессию miR398 при действии света высокой интен сивности. Для облучения использовали свет в 10 раз более интенсивный по сравне нию с нормальным освещением. Исследование уровня miR398 показало, что в ответ на облучение в листьях Th. salsuginea через 24 ч наблюдалось снижение экспрессии miR398 (рис. 4), в то время как в корнях – повышение. Таким образом, при облучении светом высокой интенсивности сохранялась тенденция обратной зависимости между экспрессией miR398 в корнях и листьях так же, как и при засолении. При этом уровни экспрессии miR398 и мРНК CSD1 также находились в обратной зависимости. Однако изменения в экспрессии наблюдаемых генов были менее выражены, чем при действии NaCl.
UV-B облучение, подобно действию других повреждающих абиотических фак торов, вызывает окислительный стресс, следствием которого является изменение ак тивности СОД. Основываясь на проведенных в лаборатории исследованиях, мы ис пользовали 10 и 20 минутное UV-B облучение для изучения уровней экспрессии miR398 и гена CSD1 (Радюкина и др., 2010). Полученные данные показали, что харак тер экспрессии гена CSD1 и miR398 в листьях и корнях Th. salsuginea при двух дозах облучения был довольно близок (данные для 10 мин облучения приведены в диссер тации). Сравнение уровней экспрессии гена CSD1 и miR398 при двух дозах облучения показало дозозависимый характер: более сильное облучение соответствовало более сильному изменению экспрессии. Данные, представленные на рисунке 4, демонстри руют уровень экспрессии miR398 и CSD1 через 24 ч после облучения UV-B (20 ми нут) в листьях и корнях. Важно, что после действия UV-B облучения наблюдалось обратное соотношение между изменением количества miR398 в листьях и в корнях, а также сохранялась тенденция к обратному соотношению между уровнями мРНК гена CSD1 и miR398. Изменения в экспрессии исследуемых генов при действии UV-B бы ли сопоставимы с изменением их экспрессии при действии NaCl, несмотря на кратко временность воздействия UV-B на листья. Причем наблюдалось изменение экспрес сии изучаемых генов не только в листьях, но и в корнях. Это может быть связано с тем, что облучение UV-B влияет на экспрессию целого ряда генов специфического ответа и, возможно на экспрессию отдельных представителей семейства генов МИР 398.
4. Изучение регуляции процессинга CSD1 и CCS1 в листьях и корнях Th. salsuginea в условиях различных концентраций меди в питательной среде.
Медь является эссенциальным микроэлементом для питания растений. Среди основных белков, имеющих в составе кофактора ионы меди, можно выделить пласто цианин (играет важную роль в передаче электронов при фотосинтезе), Cu/Zn-СОД, цитохром С (участвует в процессах дыхания в митохондриях), лакказу (семейство ок сидаз). На долю этих белков приходится большая часть внутриклеточной меди.
В ряде работ показано, что в условиях недостатка меди отмечалось снижение содержания белка Cu/Zn-СОД и его ферментативной активности. При этом у A.
thaliana наблюдалось повышение уровня мРНК гена, кодирующего другую изоформу - Fe-СОД, и ферментативной активности этого белка (Yamasaki et al., 2007). Было также показано, что у A. thaliana и некоторых других высших растений различные концентрации меди регулируют экспрессию мРНК гена CCS1, кодирующего шаперон меди, доставляющего Cu к апобелкам различных изоферментов Cu/Zn-СОД (Beauclair et al., 2010). Поскольку, предыдущими экспериментами нами было показано участие miR398 в регуляции экспрессии гена CSD1 у галофита Th. salsuginea в условиях дей ствия различных абиотических стрессоров, особый интерес представляло исследова ние влияния различных концентраций меди в питательной среде на регуляцию экс прессии гена CSD1 с помощью miR398.
Основываясь на литературных данных и данных наших предварительных экс периментов были выбраны следующие концентрации Cu: 1 мкM и 100 мкM. Следует отметить, что растения A. thaliana оказались более чувствительными к действию ме ди, чем Th. salsuginea. Медь в концентрации 100 мкМ была летальной для растений A.
thaliana и приводила к гибели 95% растений на 5 сутки эксперимента. У оставшихся 5% растений под действием 100 мкМ меди наблюдалось стимулирование стадии цве тения, которая наступала раньше, чем у контрольных растений. Растения Th.
salsuginea проявляли большую устойчивость к действию высокой концентрации ме ди. Концентрация 100 мкМ не вызывала у этих растений никаких внешних физиоло гических изменений за исключением потемнения корней.
Рис. 5 Влияние различных концентраций CuSO4 на уровень экспрессии miR и CSD1 в листьях и корнях растений Th. salsuginea через 24 часа.
Как показали данные Нозерн-блот гибридизации тотальной РНК Th. salsuginea, при внесении 100 мкМ CuSO4 в питательную среду. происходило почти полное инги бирование экспрессии miR398 в листьях и, особенно, в корнях. В экспериментах с от сутствием меди в питательной среде наблюдали значительное увеличение экспрессии miR398 в листья и, особенно, в корнях (рис. 5). При исследовании экспрессии гена CSD1 в листьях и корнях показано, что через 24 ч отсутствия меди в питательной сре де вызывало снижение экспрессии этого гена в корнях и в листьях. При концентрации меди 100 мкМ в подземной и надземной частях растений Th. salsuginea наблюдалось существенное увеличение количества мРНК гена CSD1. Однако вестерн-блот анализ со специфичными для цитозольной формы Cu/Zn-СОД антителами показал, что этот белок определялся только в листьях растения при всех исследованных концентрациях меди в питательной среде (рис. 6). Это может свидетельствовать о том, что синтез са мого белка может осуществляться только в листьях. При высокой концентрации меди 100 мкМ в листьях наблюдалось усиление экспрессии гена CSD1, однако, повышения содержания белка CSD1 не происходило. С другой стороны, при исследовании экс прессии гена CCS1 шаперона меди для СОД, в листьях и корнях было показано, что количество мРНК этого гена увеличивалось в листьях при концентрации CuSO4 1 и 100 мкМ, в условиях же отсутствия меди экспрессия этого гена значительно снижа лась в листьях и корнях. Белок CCS1 обнаруживался только в листьях у контрольных растений (0,25 мкМ CuSO4), а также при внесении 1 мкМ CuSO4 в питательную среду.
Важно отметить, что в условиях различной концентрации меди в питательной среде Th. salsuginea как в листьях, так и в корнях прослеживается реципрокный характер взаимоотношений между экспрессией miR398, с одной стороны, и экспрессией гена CSD1 и гена CCS1, с другой. В связи с этим можно предположить, что в условиях различной концентрации меди в питательной среде, наблюдается посттранскрипци онная miR398 опосредованная регуляция генов CSD1 и CCS1.
При исследовании в листьях и корнях Th. salsuginea экспрессии miR398 пока зано, что через 48 ч в растениях, в питательный раствор которых, был внесен CuSO4 в исследуемых концентрациях, продолжалось ингибирование экспрессии miR398 на фоне увеличения содержания предшественника пре-miR398 (данные приведены в диссертации). Этот факт может указывать на ингибирование функции экзонуклеазы Dicer, которая необходима для процессирования пре-миРНК в зрелую miR398. Также, можно сделать предположение, что высокое содержание меди в питательной среде может ингибировать процессинг белка Cu/Zn-СОД за счет нарушения структуры ак тивного центра ионами меди.
Возможно также, что увеличение miR398 обусловленной регуляции мРНК CCS1 в условиях отсутствия меди в питательной среде сокращает количество достав ляемой меди к белку CSD1 и, как следствие, снижается его содержание в листьях. Ве роятно, в условиях отсутствия меди в питательной среде может происходить перерас пределение поступающих ионов меди между Cu/Zn-СОД и другими важными медь содержащими белками, например, такими, как пластоцианин, играющего важную роль в фотосинтезе.
Рис.6 Влияние различных концентраций CuSO4 в питательной среде растений Th. sal suginea на экспрессию miR398 (Нозерн-блот), генов CSD1, CCS1 (ОТ-ПЦР) и содер жание белка CSD1 и CCS1 (вестерн-блот) через 24 часа.
5. Исследование уровня экспрессии генов, участвующих в процессинге miR398.
У растений, в отличие от животных, белки, участвующие в процессинге мик роРНК, представлены множественными гомологами, которые способны активиро ваться в ответ на действие стрессоров различной природы (Vionnet, 2009). Однако среди множества белков можно выделить несколько важнейших групп. К ним отно сятся белки Argonaute, которые являются обязательными элементами RISC (RNA in duced silencing complex), непосредственно выполняющего ингибирование или рест рикцию мРНК. У растений семейство белков Argonaute представлено 10 белками (Ago1-10). Из проведенных нами экспериментов следует, что значительное влияние на экспрессию miR398 у растений Th. salsugenia оказывает изменение концентрации меди в питательной среде. miR398 являются, по всей видимости, важными маркер ными молекулами, позволяющими растениям быстро реагировать на изменение кон центрации меди в питательной среде. Поскольку в условиях отсутствия меди в пита тельной среде наблюдалась наибольшая экспрессия miR398, необходимо было уста новить, какой из генов, кодирующих белки Argonaute при этом активируется. На ри сунке 7 представлен результат ОТ-ПЦР мРНК растений перенесенных на питатель ный раствор без меди. В течение суток, в листьях наблюдалось увеличение экспрес сии мРНК генов, кодирующих белки Ago1, Ago4, Ago9 и Ago10.
Важными дцРНК (двухцепочечная РНК) связывающими белками, непосредст венно участвующими в процессинге миРНК, являются белки типа Dicer (Dicer-like1).
У растений это семейство представлено 4 белками (DCL1-4), но важнейшим из них в процессинге миРНК считается DCL1. Растения, мутантные по этому гену, проявляют серьезные фенотипические отклонения, а нокаут генов Dicer может приводить к пол ному ингибированию процессинга зрелых миРНК. В условиях недостатка меди в пи тательной среде происходит увеличение экспрессии гена Dicer1, что согласуется с наблюдаемым увеличением уровня miR398.
В обычных условиях после расхождения миРНК дуплекса одна из цепочек ин тегрируется в RISC комплекс, а другая, как правило, деградирует. В условиях стресса или недостатка определенных элементов в питательной среде, вторая часть миРНК дуплекса может выступать в качестве затравки для беcпраймерного синтеза нового миРНК дуплекса. Для этого важного в большинстве эукариотических клеток процесса существуют РНК-зависимые РНК-полимеразы (RdRP1-4). Эти белки в условиях стресса позволяют увеличивать уровень тех или иных миРНК без активации МИР ге нов на уровне гетерохроматина.
В условиях отсутствия меди в питательной среде у растений Th.salsuginea про исходит увеличение уровня экспрессии RDR1 гена, что может указывать на беспрай мерный синтез новых миРНК дуплексов на «отстающей» цепи миРНК дуплекса как на матрице. Это может способствовать сокращению продолжительности процессинга и тем самым ускорить ответ растений на стресс.
Рис. 7 Изменение уровней экспрессии мРНК Ago1, Ago4, Ago9, Ago10, DCL1, RDR в листьях растений Th. salsuginea в условиях отсутствия меди в питательной среде че рез 24 часа.
Экспрессии miR398 и мРНК генов CSD1 и CCS1, их регуляция могут зависеть от других важных факторов, например, транскрипционных. Согласно литературным данным, у A. thaliana в промоторных последовательностях генов МИР 398 обнаружен цис-элемент GTAC бокса, активизирующийся в условиях недостатка меди (Yamasaki et al., 2009). Более того, GTAC промоторная область генов miR398 способна связы ваться с SPL доменом транскрипционного фактора SPL7 (SQUAMOSA промотор связывающийся белок-7), который способен активировать экспрессию генов МИР 398. Методом ОТ-ПЦР нами было показано увеличение экспрессии гена SPL7 в усло виях отсутствия меди в питательной среде через 24 ч после начала эксперимента (рис.
8), что согласуется с увеличением уровня miR398.
Рис. 8 Влияние отсутствия меди в питательной среде на уровень экспрессии SPL (ОТ-ПЦР) в листьях и корнях Th. salsuginea в течение 24 часов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Антиоксидантные ферменты, одним из которых является Cu/Zn-СОД, играют важную роль в детоксикации АФК, интенсивная генерация которых происходит в ус ловиях действия стрессоров различной природы. Регуляция экспрессии кодирующих эти ферменты генов может осуществляться на геномном, транскрипционном, по сттранскрипционном, трансляционном и посттрансляционном уровнях. Функциони рование механизма посттранскрипционной регуляции экспрессии генов, а именно РНК-интерференции с участием миРНК, недавно было продемонстрировано у расте ний гликофитов при действии повреждающих факторов (NaCl, паракват, сахароза, высокие концентрации меди, железа). В частности, у A. thaliana, наблюдалось увели чение количества мРНК CSD1 и CSD2 на фоне снижения уровня miR398. Вопрос о том, функционирует ли подобный механизм miR398 зависимой регуляции экспрессии CSD генов в растениях галофитах, обладающих высокой конститутивной устойчиво стью к засолению и другим экстремальным факторам, оставался открытым.
Проведенные биоинформационные исследования позволили установить воз можные сайты связывания с 3`-НТО мРНК CSD1 и CCS1 у растений Th. salsuginea, а также позволили разработать антисмысловой зонд. Полученный ДНК зонд, способ ный связываться с семейством miR398, позволил изучить их конститутивную экс прессию у растений Th. salsuginea.
В проведенных нами исследованиях было показано, что у Th. salsuginea интен сивность экспрессии miR398 изменяется не только при засолении, но и при действии света высокой интенсивности, UV-B облучения и в условиях различных концентра ций меди в питательной среде (рис. 4, 5). Это указывает на стресс-зависимость такого механизма регуляции, функционирующего как в устойчивых, так и в чувствительных растениях. Уровень экспрессии miR398 у Th. salsuginea в ответ на действие стрессора носит дозозависимый характер, что особенно четко проявляется в условиях засоле ния, а также действия различных концентраций меди (рис. 4, 6) и, в меньшей степени, при действии света высокой интенсивности и UV-B (рис. 4). При этом наблюдалось отсутствие органоспецифичности. Можно полагать, что в основе этого явления лежит интенсивность образования АФК, генерация которых возрастает при усилении по вреждающего воздействия стрессора. Нельзя исключать, что АФК, индуцирующие синтез антиоксидантных ферментов, одновременно ингибируют экспрессию miR398, что повышает эффективность функционирования клеточной антиоксидантной систе мы.
Анализ динамики уровней miR398 у растений Th. salsuginea в ответ на UV-B облучение и свет высокой интенсивности свидетельствует о том, что облучение ли стьев сопровождается чрезвычайно быстрым (0.5-1 ч) изменением экспрессии miR в корнях, которые непосредственно не подвергались стрессорному воздействию (рис.
4). Эти данные находятся в полном соответствии с ранее установленным фактом, со гласно которому не только листья, но и корни вовлекаются в формирование защитно го ответа на действие UV-B облучения. Результаты экспериментов позволяют выска зать предположение, согласно которому экспрессия miR398 находится под контролем сигналов межорганного действия, которые инициируются в листе и передаются в корневую систему. Изучение роли miR398 в регуляции экспрессии CSD1 показало, что у галофита Th. salsuginea, также как и у гликофита A. thaliana, существует обрат ная зависимость между экспрессией генов CSD1 и miR398. Наиболее четко такая за висимость проявлялась при ответе растений на засоление и на различные концентра ции меди, хотя подобная тенденция сохранялась и при действии UV-B облучения (рис. 4). Это свидетельствует в пользу того, что ген CSD1 может являться одной из мишеней для miR398 как при действии засоления, так и при действии тяжелых метал лов, в частности меди, на растения.
Из экспериментов по влиянию различных концентраций меди в питательной среде растений Th. salsuginea следует, что изменение экспрессии miR398 может зави сеть от содержания меди в клетках растений и являться своего рода маркером ее дос тупности из питательной среды. При внесении 1 мкМ CuSO4, то есть в 4 раза более высокой концентрации, чем в контроле (0,25 мкМ), наблюдалось снижение экспрес сии miR398. Снижение экспрессии miR398 приводит к ослаблению посттранскрипци онной регуляции мРНК, в 3`-НТО областях которых были обнаружены сайты связы вания с miR398. В результате этого наблюдалось увеличение содержания белков CCS1 и CSD1. Галофит Th. salsuginea проявляет значительную устойчивость к дейст вию тяжелых металлов. В условиях отсутствия меди у Th. salsuginea происходило увеличение уровня экспрессии двух обнаруженных генов Fe-СОД (данные приведены в диссертации). Возможно, это было частью компенсаторного механизма при сниже нии содержания белка Cu/Zn-СОД и его активности. Анализ экспрессии гена шаперо на меди CCS1 и содержания белка CCS1 в условиях действия различных концентра ций меди позволил предположить, что miR398 способна регулировать Cu/Zn-СОД не только прямо, но и косвенно через регуляцию шаперона меди, доставляющего медь к апобелкам СОД. Кроме того, в условиях отсутствия меди в питательной среде у Th.
salsuginea наблюдается повышение уровня экспрессии гена транскрипционного фак тора SQUAMOSA proteine like–7, содержащего мотив, связывающийся с промоторной областью генов, кодирующих miR398.
Таким образом, миРНК-RISC комплексы связываются с нетранслируемыми об ластями, они позволяют разобщить в пространстве и во времени синтез белка и его регуляцию. Это ускоряет реакцию растения на изменяющиеся условия внешней сре ды, что позволило нам составить возможную схему, описывающую механизм miR опосредованной регуляции Cu/Zn-СОД в условиях действия стрессоров различной природы, а также при различных концентрациях меди в питательной среде у растений Th. salsuginea (рис. 9).
Рис. 9 Схема возможной miR398 опосредованной регуляции генов Cu/Zn-СОД в рас тении при стрессе.
ВЫВОДЫ 1. Установлены мишени действия miR398 в растении Th. salsuginea, в качестве которых выступают мРНК цитозольной Cu/Zn-СОД (CSD1) и мРНК шаперона меди CCS1, доставляющего ионы меди к апобелкам супероксиддисмутаз, имеющим цито зольную (CSD1), хлоропластную (CSD2) и пероксисомальную (CSD3) локализацию.
2. Продемонстрировано наличие обратной связи между интенсивностью экс прессии генов CSD и CCS, с одной стороны, и уровнем miR398 в условиях стресса, с другой, что свидетельствует о функционировании механизма посттранскрипционной регуляции экспрессии генов супероксиддисмутазы и металлошаперона меди.
3. Уровень экспрессии miR398 в растении Th. salsuginea определяется доступ ностью меди. Снижение концентрации меди в питательной среде сопровождается стимуляцией экспрессии miR398, снижением уровня мРНК цитоплазматической СОД, а также miR398 опосредованной регуляции CCS1 и усилением экспрессии транскрипционного фактора SPL7.
4. miR398 опосредованная регуляция экспрессии гена CSD1 не является орга носпецифичной, а экспрессия miR398 в корнях и листьях имеет обратную зависи мость.
5. Совокупность полученных данных свидетельствует о наличии механизма miR398 опосредованной регуляции экспрессии стресс-зависимых генов у Th.
salsuginea в условиях действия повреждающих абиотических факторов, а также о на личии у данной микроРНК множественных генов-мишеней, что позволяет одновре менно контролировать протекание различных физиологических процессов.
СПИСОК РАБОТ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ 1. Карташов А.В., Иванов Ю.В., Пашковский П.П., Радюкина Н.Л., Кузнецов Вл.В. (2007) Исследование ранней индукции защитных систем растений подорожника большого (Plantago major L.) под действием NaCl. В сб: Тезисы VI Съезда Общества физиологов растений. Сыктывкар, с. 176 – 177.
2. Карташов А.В., Радюкина Н.Л., Пашковский П.П., Кузнецов Вл.В. (2008) Роль систем антиоксидантной защиты при адаптации дикорастущих видов растений к солевому стрессу. Физиология растений, 55, 516 – 522.
3. Пашковский П.П., Рязанский С.С, Кузнецов Вл.В. (2009) Экспрессия малых РНК под действием абиотических факторов у растений Thellungiella halophila.
В сб: 13-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых "Биология – наука XXI века", Пущино, c. 131 – 132.
4. Пашковский П.П., Рязанский С.С., Радюкина Н.Л., Кузнецов Вл.В.
(2009) Влияние абиотических факторов на экспрессию малых РНК miR398 у растений Thellungiella halophila. В сб: Тезисы докладов Годичного собрания ОФР «Физико химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях крайнего севера», Апатиты, с. 260 – 261.
5. Иванов Ю.В., Карташов А.В., Радюкина Н.Л., Пашковский П.П., Юренков А.А. (2009) Участие пролина в защитном ответе растений на действие абиотических стрессоров. В сб: Тезисы докладов IX Международной конференции молодых учёных «Леса Евразии – Польские леса», Курник (Польша), с. 181 – 184.
6. Пашковский П.П., Рязанский С.С., Кузнецов Вл.В. (2010) МикроРНК опосредованная регуляция гена цитозольной Cu/Zn-СОД у растений Thellungiella halophila под действием абиотических стрессов. В сб: 14-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых "Биология – наука XXI века", Пущино, c. 321 – 322.
7. Пашковский П.П.,. Рязанский С.С., Радюкина Н.Л., Гвоздев В.А., Кузнецов Вл.В. (2010) miR398 и регуляция экспрессии гена цитоплазматической Cu/Zn-СОД в растениях Thellungiella halophila в условиях стресса. Физиология растений, 57, 707 – 714.
8. Pashkovskiy P., Ryazansky S., Kuznetsov V. (2010) Cu/Zn superoxide dismutase mRNA levels in Thellungiella halophila opposite correlate with expression of MIR398 under abiotic stresses. In: Abstr. Am. Soc. Plant Biol. Can. Soc. Plant Physiol., № P07023, p. 98.
9. Pashkovskiy P., Ryazansky S., Radyukina N., Kuznetsov V. (2010) Expression of small microRNA MIR398 under abiotic stress in Thellungiella halophila plants. In:
Abstr. FESPB-2010, p. 112.
10. Пашковский П.П., Радюкина Н.Л. (2010) МикроРНК и гены антиоксидантной защитной системы у растений Thellungiella halophila при стрессе. В сб: Всероcсийский симпозиум "Растение и стресс", Москва, c. 269 – 270.
11. Пашковский П.П. (2011) МикроРНК опосредованная регуляция мРНК шаперона меди CCS1 и Cu/Zn СОД CSD1, 2 в растениях Thellungiella salsuginea. В сб:
15-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых "Биология – наука XXI века". Пущино, c. 20 – 21.
12. Парфенов И.А., Ревина Т.А., Пашковский П.П., Радюкина Н.Л., Валуева Т.А. (2011) Фрагмент гена, кодирующего белок-ингибитор химотрипсина и трипсина в картофеле. Прикладная биохимия и микробиология, 47, 1 – 5.
13. Radyukina N.L., Ivanov Yu.V., Pashkovskiy P.P., Kartashov A.V., Shevyakova N.I., Kuznecov Vl.V. (2011) Regulation of gene expression governing proline metabolism in Thellungiella salsuginea by NaCl and paraquat. Russian Journal of Plant Physiology, 58, 643 – 652.