SESJA 10 ODPOWIEDŹ ORGANIZMÓW NA CZYNNIKI BIOTYCZNE I ABIOTYCZNE WYKŁADY

Transkrypt

1 SESJA 10 ODPOWIEDŹ ORGANIZMÓW NA CZYNNIKI BIOTYCZNE I ABIOTYCZNE WYKŁADY

2 238 SESJA 10 WYKŁADY W10-01 REAKTYWNE FORMY TLENU JAKO ELEMENT REAKCJI KOMÓREK NA STRES Grzegorz Bartosz Katedra Biofizyki Molekularnej Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź; Instytut Biologii i Ochrony Środowiska WSP, Rzeszów Działanie wielu czynników zewnętrznych (stres termiczny, osmotyczny, świetlny; promieniowanie jonizujące i ultradźwięki, wiele ksenobiotyków, inwazja patogenów, dehydracja, hipoksja-reoksygenacja) na komórki bakterii, drożdży, roślin i zwierząt prowadzi do przejściowego stresu oksydacyjnego, zazwyczaj uwarunkowanego zwiększeniem wytwarzania reaktywnych form tlenu (RFT). Wytwarzanie RFT może mieć charakter obligatoryjny, związany z mechanizmem działania bodźca bądź RFT mogą grać rolęprzekaźników informacji, inicjujących ekspresjęgenów uczestniczących w odpowiedzi na bodziec. Znane są dwa czynniki transkrypcyjne Escherichia coli indukujące ekspresjęokoło 80 genów w odpowiedzi na stres oksydacyjny: OxyR, reagujący na nadtlenek wodoru i SoxR, uruchamiający kaskadęreakcji na ponadtlenek. W komórkach człowieka stres oksydacyjny aktywuje czynnik transkrypcyjny NF- B, reagujący głównie na nadtlenki i czynnik transkrypcyjny AP1. Homologiczne czynniki transkrypcyjne yap1 i yap2, oprócz szeregu innych (m. in. Mac-1) wykryto u drożdży Saccharomyces cerevisiae. W komórkach roślinnych wiązanie salicylanu do receptora o aktywności katalazy powoduje zahamowanie aktywności katalazowej i wzrost poziomu nadtlenku wodoru, co aktywuje ekspresjęgenów odpowiedzi na patogeny, stanowiącą część procesu nabytej oporności systemowej. Obniżenie poziomu RFT w komórkach może być z kolei czynnikiem uruchamiającym ekspresję genów w warunkach hipoksji.

3 ODPOWIEDŹ ORGANIZMÓW NA CZYNNIKI BIOTYCZNE I ABIOTYCZNE 239 W10-02 ROLA CONTINUUM: ŚCIANA KOMÓRKOWA-BŁONA KOMÓRKOWA-CYTOSZKIELET W REAKCJACH ROŚLIN NA STRES Przemysław Wojtaszek Instytut Chemii Bioorganicznej PAN, Poznań Cytoszkielet komórki roślinnej i jej błona komórkowa połączone są ze ścianami komórkowymi w jedno funkcjonalne i strukturalne continuum. Umożliwia to nie tylko regulacjęfunkcji mechanicznych, ale także koordynację wymiany informacji między- i wewnątrzkomórkowej, a przede wszystkim zapewnia stabilny szlak przekazywania sygnałów od zewnętrznych peryferii komórki bezpośrednio do jądra [Wojtaszek P. (2000) Biological Reviews (Cambridge), w druku]. Jednym z głównych źródeł sygnałów, jak i induktorem zmian w ścianach komórkowych i dalej w całym continuum, są zmiany w otoczeniu roślin, o podłożu zarówno biotycznym, jak i abiotycznym. Reakcje obronne roślin na infekcjęprzez mikroorganizmy patogenne zostaną przedstawione jako ilustracja tak postawionej tezy. Apoplast jest pierwszym miejscem kontaktu rośliny z patogenem i jako element continuum odgrywa kluczową rolęw inicjacji i koordynacji przestrzenno-czasowej wielu reakcji obronnych. Co więcej, niektóre apoplastyczne mechanizmy obronne zostają uruchomione i przebiegają w całości bez angażowania maszynerii biochemicznej protoplastu. Continuum ściana komórkowa-błona komórkowa-cytoszkielet może być także źródłem bądź szlakiem przekaźnikowym cząsteczek sygnalnych (elisytory, reaktywne formy tlenu) koordynujących reakcje obronne w obrębie funkcjonalnych domen obronnych. Ponieważ jednak znacząca część tych reakcji przebiega jedynie w zainfekowanej komórce i komórkach bezpośrednio do niej przyległych, badanie biochemii mechanizmów obronnych wymaga wykorzystania różnorodnych systemów modelowych. Choć bardzo często reakcje obserwowane w układach modelowych są zbliżone do sytuacji in planta, wszystkie systemy badawcze wykazują, swoiste dla siebie, cechy charakterystyczne. Autor dziękuje Komitetowi Badań Naukowych za wsparcie w ramach projektu badawczego 6 P04C

4 240 SESJA 10 WYKŁADY W10-03 PRZESYŁANIE SYGNAŁU STRESU OSMOTYCZNEGO U ROŚLIN Monika Mikołajczyk, Grażyna Muszyńska, Grażyna Dobrowolska Instytut Biochemii i Biofizyki PAN, Warszawa W środowisku naturalnym rośliny bardzo często stykają się ze stresem osmotycznym spowodowanym suszą, zmianami temperatur lub zasoleniem podłoża. W organizmach eukariotycznych w przesyłanie sygnałów docierających z zewnątrz komórki zaangażowany jest proces fosforylacji oraz defosforylacji białek. W komórkach drożdżowych i ssaczych sygnały przekazywane są poprzez kaskady kinaz MAP (Mitogen Activated Protein Kinase). W efekcie sukcesywnej fosforylacji i aktywacji kinaz białkowych tworzących tękaskadęsygnał odebrany przez odpowiedni receptor przesyłany jest do jądra, gdzie następuje włączenie transkrypcji specyficznych genów odpowiedzi komórki. Przesyłanie sygnału stresu osmotycznego w komórce roślinnej jest stosunkowo słabo poznane. W roślinach zidentyfikowano osmosensor, który jest kinazą histydynową typu hybrydowego strukturalnie podobną do drożdżowego osmosensora SLN1. Wykazano także aktywacjękilku kinaz białkowych w odpowiedzi rośliny na stres hyperosmotyczny. Należą do nich: kinaza MAP- p48 SIPK (Salicylic Acid- Induced Protein Kinase) oryginalnie zidentyfikowana jako enzym aktywowany przez kwas salicylowy oraz kinaza białkowa- p42 zaliczana do rodziny roślinnych kinaz serynowo/treoninowych SnRK2b (SNF1 Related Protein Kinase 2b). Można więc przypuszczać, że w komórkach roślinnych istnieją co najmniej dwa szlaki przesyłania sygnału stresu osmotycznego. Jednym z nich, podobnie jak u wszystkich innych organizmów eukariotycznych jest kaskada kinaz MAP, natomiast ścieżka sygnalna, do której należy kinaza SnRK2b najprawdopodobniej jest unikalna dla roślin. Istnienie kilku niezależnych dróg przesyłania sygnału stresu w roślinach prowadzących do odpowiedzi obronnej zwiększa prawdopodobieństwo przeżycia w niesprzyjających warunkach.

5 ODPOWIEDŹ ORGANIZMÓW NA CZYNNIKI BIOTYCZNE I ABIOTYCZNE 241 W10-04 STRUKTURA, REGULACJA I MECHANIZMY AKTYWNOŚCI PRZECIWGRZYBICZEJ GENU OSMOTYNY Andrzej Kononowicz Uniwersytet Łódzki, Zakład Cytogenetyki i Biologii Molekularnej Roślin, Łódź Od czasu wyizolowania z hodowli zawiesinowych komórek tytoniu adaptowanych do wysokich stężeń NaCl, Osmotyna i Osmotyno-podobne białka, jak również geny kodujące te białka są przedmiotem intensywnych badań w wielu pracowniach naukowych. Osmotyny są grupą białek występujących w co najmniej dwóch formach o pi 7,8 i pi>8,2 różniących sięnieznacznie masą cząsteczkową. Osmotyna wykazuje bardzo wysoki stopień homologii sekwencji z takimi białkami jak Thaumatyna, białka PR-S tytoniu czy białka PR-C ziemniaka. Sekwencja aminokwasów oraz wzór ekspresji stały siępodstawą sklasyfikowania Osmotyny w grupie białek PR-5. Wykazano, że synteza i akumulacja w komórce mrna jak również samego białka regulowane są przez szereg biotycznych i abiotycznych czynników środowiskowych, spośród których należy wymienić stres solny i osmotyczny, fitohormony, infekcje wirusowe, grzybowe patogeny roślin, zranienie, promieniowanie UV. Badania biochemiczne i molekularne z wykorzystaniem transgenicznych komórek i roślin tytoniu pozwoliły na dokonanie strukturalnej i funkcjonalnej analizy promotora Osmotyny regulacji jego czasowej i przestrzennej aktywności. Badania przeprowadzone na grzybach z rodzajów m.in. Phytophthora, Fusarium i Aspergillus pozwoliły na wstępne ustalenie mechanizmów przeciwgrzybiczej aktywności Osmotyny. Wykazano, że u Saccharomyces cerevisiae Osmotyna wykorzystuje komórkowy system przekazywania sygnałów (STP) aby osłabić bariery obronne ścian komórkowych i w ten sposób zwiększyć swoją cytotoksyczną efektywność. Wykazano ponadto, że Osmotyna aktywuje STP w skład którego wchodzą elementy regulatorowe STE4, STE18, STE20, STE5, STE11, STE7, FUS3, KSS1 i STE12 zaangażowane w proces koniugacji u drożdży.

6 242 SESJA 10 WYKŁADY W10-05 EKSPRESJA GENÓW KODUJĄCYCH BIAŁKA KLASY PR10 W TRAKCIE ODDZIAŁYWAŃ Z MIKROORGANIZMAMI Michał M. Sikorski Instytut Chemii Bioorganicznej PAN, Poznań Rozwój rośliny regulowany przez czynniki wewnętrzne i zewnętrzne. Oprócz realizacji podstawowego programu rozwojowego roślina wykorzystuje w procesie morfogenezy sygnały płynące ze środowiska. W odpowiedzi na stres roślina uruchamia złożone mechanizmy obronne. Istotnym elementem każdego mechanizmu obronnego jest zjawisko indukcji ekspresji genów kodujących tzw. białka obronne (ang. pathogenesis-related proteins, PRPs). Ze względu na funkcję biologiczną lub podobieństwo strukturalne i właściwości fizykochemiczne podzielono je na 14 klas. Do białek obronnych należą kwaśne białka PR o nieznanej funkcji, zlokalizowane wewnątrzkomórkowo (c. cząst kda). Ta grupa białek obronnych tworzy klasę10 (ang. intracellular pathogenesis-related proteins of PR10 class). Białka klasy PR10 kodowane są przez rodziny wielogenowe, co związane jest z występowaniem homologicznych białek w tej samej roślinie. Wydaje się, że funkcja biologiczna homologicznych białek PR10 może być różna (geny białek PR10 ulegają organospecyficznej ekspresji i są indukowane przez mikroorganizmy w procesach patogenezy i symbiozy). Geny kodujące białka PR10 wchodzą w skład konstytutywnego systemu obronnego korzenia, jako część ogólnego programu rozwojowego rośliny. W korzeniu uruchamiany jest mechanizm obronny w trakcie pęcznienia nasion (ekspresja genów Ypr10 utrzymuje się na stałym poziomie w czasie rozwoju korzenia). W układzie symbiotycznym nie stwierdza sięobecności patogena. Oznacza to, że dzięki funkcjonowaniu mechanizmów obronnych, roślina rozróżnia patogena od mikrosymbionta i nie dopuszcza do infekcji. Dlatego w tkance bakteroidalnej obecna jest tylko forma symbiotyczna rizobiów bakteroidy. Geny białek PR10 ulegają transkrypcyjnej aktywacji w liściach roślin po infekcji patogenem.