Изучение роли редокс-сигналинга в регуляции экспрессии митохондриальных и ядерных генов растений

Гарник, Елена Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Изучение роли редокс-сигналинга в регуляции экспрессии митохондриальных и ядерных генов растений
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Изучение роли редокс-сигналинга в регуляции экспрессии митохондриальных и ядерных генов растений"

На правах рукописи

Гарник Елена Юрьевна

ИЗУЧЕНИЕ РОЛИ РЕДОКС-СИГНАЛИНГА В РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ И ЯДЕРНЫХ ГЕНОВ РАСТЕНИЙ

03.00.12 - физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

I Ч - Л п

- Г, г- " - - л

•. . У ¿Ц/ и

Иркутск-2009

003483214

Работа выполнена в лаборатории генетической инженерии растений Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Константинов Юрий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Побежимова Тамара Павловна доктор биологических наук Щербаков Дмитрий Юрьевич

Ведущая организация: Институт цитологии и генетики СО РАН

Защита диссертации состоится «01» декабря 2009г. в 10.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.047.01 при Сибирском институте физиологии и биохимии растений СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132, а/я 317. Факс (3952)510754; e-mail: matmod@sifibr.irk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН.

Автореферат разослан «¡hcK/^M 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук

Г.П. Акимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В ходе онтогенеза растительная клетка эффективно координирует активность трех геномов - ядерного, пластидного и митохондриального - в непрерывно изменяющихся условиях окружающей среды. Такая координация оказывается возможной за счет существования двух противоположно направленных процессов. С одной стороны, это ядерный контроль над экспрессией геномов хлоропластов и митохондрий. С другой стороны, это обратная (ретроградная) регуляция, направленная от хлоропластов и митохондрий к ядру, несущая информацию о состоянии и функционировании этих органелл и обеспечивающая таким образом обратную связь между цитоплазмой и ядром. Важнейшую роль в переносе информации от органелл к ядру играют редокс-сигналы. К настоящему времени достаточно подробно изучены хлоропластно-ядерные взаимодействия в растительной клетке, тогда как конкретные пути производства и передачи митохондриально-ядерных сигналов у растений исследованы явно недостаточно. Биохимические механизмы митохондриально-ядерной редокс-регуляции экспрессии генов высших эукариот не только являются фундаментальной проблемой молекулярной биологии гена, но и представляют значительный интерес для решения важных научно-практических задач.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы было изучение механизмов регуляции экспрессии митохондриальных и ядерных генов растений при изменении редокс-состояния митохондрий. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: 1. Изучение влияния изменения редокс-состояния митохондрий при ингибировании электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) на экспрессию митохондриальных генов проростков кукурузы и суспензионной культуры арабидопсиса.

2. Изучение влияния ингибирования ЭТЦ митохондрий на экспрессию редокс-чувствительных ядерных генов арабидопсиса, кодирующих белки митохондриальной локализации.

3. Изучение биохимических механизмов ретроградного редокс-сигналинга, обеспечивающего регуляцию исследуемых генов. Научная новизна. Впервые показана дифференциальная экспрессия

митохондриальных генов кукурузы при ингибировании третьего комплекса митохондриальной ЭТЦ. Обнаружено, что изменение экспрессии генов, кодирующих компоненты дыхательных комплексов, происходит в целом координированно. Показана индукция экспрессии ядерного гена арабидопсиса, кодирующего (3-субъединицу митохондриального фермента глутаматдегидрогеназы, при ингибировании третьего и четвертого дыхательных комплексов. Впервые исследован возможный механизм генерации и передачи ретроградного сигнала, приводящего к изменению экспрессии гена gdh2. Показано, что первичным сигналом служит редокс-состояние ЭТЦ (предположительно - редокс-состояние убихинонового пула). Показано, что участие серин-треониновых протеинкиназ необходимо для передачи данного сигнала в ядро. Показано, что путь передачи ретроградного сигнала, используемый для регуляции гена §с!Ь2, не идентичен пути, используемому для регуляции гена аох1а.

Научная и практическая ценность работы. Работа посвящена изучению механизмов митохондриально-ядерной регуляции растительных генов. Обнаружен факт регуляции экспрессии митохондриальных генов кукурузы в ответ на изменение редокс-состояния митохондрий. Получены данные о первичных редокс-сигналах, генерируемых митохондриями, и путях передачи ретроградного сигнала, приводящего к индукции экспрессии гена арабидопсиса. Установлены различия в путях ретроградной

регуляции генов аох1а и gdh2. Выяснение механизмов митохондриально-ядерных взаимоотношений может помочь пониманию таких ценных признаков, как цитоплазматическая мужская стерильность у растений.

Апробация работы. Основные результаты диссертации изложены в 10 печатных работах, в т.ч. трех статьях в журналах из списка ВАК. Материалы диссертации были представлены на Международном конгрессе «International Congress on Plant Mitochondrial Biology» (Obernai, France, 2005), на Всероссийской конференции «Структура и экспрессия митохондриального генома растений» (Иркутск, 2006), на Ш Международном симпозиуме «Signals, Sensing and Plant Primary Metabolism» of the Collaborative Research Center SFB 429 «Molecular Physiology, Energetics, and Regulation of Primary Metabolism in Plants» (Potsdam, Germany, 2006), на II Всероссийской научно-практической конференции «Развитие физико-химической биологии и биотехнологии на современном этапе» (Иркутск, 2008), на IV съезде Российского общества биохимиков и молекулярных биологов (Новосибирск, 2008), на Всероссийской научной конференции «Устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней среды» (Иркутск, 2009).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов исследования и их обсуждения, выводов и списка цитированной литературы, включающего 174 работы отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 124 страницах, содержит 20 рисунков и 5 таблиц.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объекта исследования использовали трехсуточные этиолированные проростки кукурузы (Zea mays (L.), гибрид ВИР 42МВ) и суспензионные культуры клеток арабидопсиса {Arabidopsis thaliana (L). Heyn.), предоставленные сотрудником СИФИБР СО РАН В.Н.Шмаковым. Проростки экспонировали в водных растворах, содержащих антимицин А (10 мкМ), СГК (1 мМ) или оба эти соединения, в течение 2-24 ч. Обработку клеток арабидопсиса производили путем добавления действующих веществ в культуральную среду. В тех случаях, когда исследовали влияние антимицина А в сочетании с N-ацетилцистеином, эндоталом, генистеином, стауроспорином и FCCP, перечисленные вещества добавляли в культуру за

30 минут перед добавлением антимицина А. Митохондрии кукурузы выделяли методом дифференциального центрифугирования с последующей очисткой в градиенте плотности сахарозы (Konstantinov et al., 1995). Для получения и мечения зондов в качестве матрицы для амплификации использовали ДНК, выделенную согласно (Vanlerberghe et al., 1994), либо кДНК, полученную согласно (Катышев и др., 2006). Суммарную РНК из проростков кукурузы, изолированных митохондрий кукурузы и клеток суспензионной культуры арабидопсиса выделяли методом горячей фенольной экстракции согласно (Vevroed et al., 1989). Образцы выделенной ДНК и РНК разделяли с помощью электрофореза в 1% агарозном геле и окрашивали в водном растворе бромистого этидия (0,5 мкг/мл). Визуализацию нуклеиновых кислот и фотографирование геля производили с помощью оборудования GelDoc (Bio-Rad, США). Подбор праймеров осуществляли с помощью программы WebPrimer. Амплификацию ДНК (35 циклов) проводили с помощью ДНК-полимеразы Taq фирмы «Fermentas» (Литва) в буфере производителя в следующем режиме: денатурация - 1 мин при 94°С; отжиг - 1 мин при 52°С, элонгация - 1 мин 30 с при 72°С. Концентрация каждого из dNTP («Fermentas», Литва) составляла 100 мкМ. Мечение фрагментов ДНК проводили с помощью ПЦР в присутствии (а-32P)dATP («Изотоп», Санкт-Петербург) в количестве 100 мкКи на одну пробу. Для очистки от невключившихся нуклеотидов использовали колонки из набора Nucleospin Extract («Q1AGEN Genomic», США) или колонки с Sephadex G-50 («ICN», США). Электрофоретическое разделение РНК в денатурирующих условиях производили с помощью электрофореза в 1,2% агарозном геле, содержавшем 2,2М формальдегид. По окончании электрофореза РНК переносили на нейлоновую мембрану и фиксировали под ультрафиолетом, как описано (Vanlerberghe et al., 1994). Нозерн-гибридизацию с радиоактивно мечеными зондами производили как описано (Маниатис и др., 1984), отмывали от несвязавшегося зонда и экспонировали с рентгеновской пленкой. Полученные радиоавтографы сканировали и

обрабатывали с помощью программы SigmaGel («PKWARE Inc.», США). Уровень АФК в клетках суспензионной культуры арабидопсиспа оценивали согласно (Maxwell et al., 1999) по флюоресценции дихлорофлюоресцеина в присутствии АФК (длина волны поглощенного света 480 нм, длина волны испускаемого света 524 нм) при помощи спектрфлюорофотометра Shimadzu RF 5301 PC (Япония). Оценку жизнеспособности клеток производили по способности восстанавливать 2,3,5-трифенилтетразолий хлорид (Еникеев и др., 1995). Статистическую обработку данных и построение диаграмм производили с помощью пакета программ Microsoft Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Исследование экспрессии митохондрнальных генов кукурузы (Zea mays) при ингибнровании III дыхательного комплекса и альтернативной оксидазы

Изучали влияние дыхательных ингибиторов на содержание транскриптов шести митохондриальных генов, кодирующих субъединицы цитохромоксидазного комплекса (гены coxl, сохЗ), апоцитохром b (ген cob), девятую субъединицу АТФ-синтазы (ген atp9), рибосомальный белок S13 (ген rpsI3) и рибосомальную РНК (ген гт26). Обработку проводили в трех вариантах: 10 мкМ антимицина А; 1 мМ СГК; одновременно антимицином А и СГК в тех же концентрациях.

В условиях ингибирования комплекса III антимицином А в наибольшей степени совпадали транскрипционные ответы для генов coxl, сохЗ и cob. Это может быть связано с тем, что белковые субъединицы, кодируемые этими генами, функционально связаны. Изменения уровня транскриптов генов atp9 и rpsl3, не соотносятся с изменениями экспрессии, показанными для остальных исследованных генов (рис. 1).

Контроль Антимицин А СГК Антимицин А+СГК

сох1

сохЗ cob

atp9 rps13

rrn26

Рисунок 1. Содержание транскриптов митохопдриальных генов сох], сохЗ, cob, atp9, rpsl3, rni26 при обработке проростков кукурузы антимицином А и СГК.

Представлены результаты радиоавтографии после Нозерн-гибридизации. Контроль — инкубация проростков в отсутствие агентов, Антимицин А — обработка антимицином А (10 мкМ), СГК - обработка салицилгидроксамовой кислотой (1 мМ), Антимицин А + СГК -одновременная обработка антимицином А и СГК (10 мкМ и 1 мМ соответственно). О ч, 2 ч, 4 ч, 10 ч, 24 ч - время инкубации проростков в присутствии антимицина А, СГК или в контрольных условиях. МтРНК -результат гибридизаций с РНК, выделенной из изолированных митохондрий.

Влияние антимицина А и СГК на экспрессию одних и тех же митохондриальных генов оказалось различным. Можно предполагать, что при обработке проростков СГК сигналом для изменения экспрессии служило повышение уровня перекиси водорода. При обработке антимицином А таким сигналом могло быть не только возрастание уровня АФК, но и изменение редокс-состояния электрон-транспортной цепи.

2. Исследование экспрессии митохондриальных генов арабидопеиса при ннгибированнн комплекса III антпмнцпном А

Далее в качестве объекта исследований использовали суспензионную культуру Arabidopsis thaliana (L.) Heyn. Были исследованы гены,

кодирующие субъединицы NADH-дeгидpoгeнaзнoгo комплекса (гены пас!4, пас!9, сохЗ), субъединицы АТФ-синтазного комплекса (гены а!р], а/р9), а также рибосомальную РНК (ген тгп26).

Ни для одного из исследованных митохондриальных генов арабидопсиса не было обнаружено достоверных изменений уровня транскриптов при обработке антимицином А (рис. 2). Это может быть следствием как межвидовых различий между кукурузой и арабидопсисом, так и различным характером экспрессии митохондриальных генов в тканях проростков (кукуруза) и в суспензионной культуре дедифференцированных клеток (арабидопсис).

03 03

> о- "Г ^г "з <ь i?

£ /9

^ £ #

nad-1

rRNA

"з fe

05 ? í Í

gifi $ / /

nad9

<\ fe

rRNA

<\, fe

j? J?

/ # / #

rRNA

atpy

rRNA

Рисунок 2. Уровень транскриптов митохондриальных генов арабидопсиса ти!4, на ¡19, сохЗ, Шр1, а/р9, гт26 при обработке суспензионной культуры антимицином А.

Представлены результаты радиоавтографии после Нозерн-гибридизащш. Клетки инкубировали с антимицином А (10 мкМ) либо без обработки (контроль). rRNA - рибосомальная РНК (окрашивание бромистым этидием.)

3. Исследование экспрессии ядерных генов арабидопсиса, кодирующих мнтохондрнальные белки, при ингибнрованни различных участков митохондриальной ЭТЦ

3.1. Поиск генов-кандндатов, экспрессия которых регулируется редокс-состоянием ЭТЦ

/ ^ /

gdli2

aoxla

atp2

fro I

rRNA

№

die I

rRNA

<V <o o- J- Ч" 4" <V <o ¿r

t? # # C? <? jf J-

# / /

rRNA

Рисунок 3. Уровни транскриптов ядерных генов арабидопсиса g(lh2, aoxla, atp2, frol, did, dtc при обработке суспензионной культуры клеток антимицином А.

Представлены результаты радиоавтографии после Нозерн-гибридизации. Клетки инкубировали с ротеноном (20 мкМ), антимицином А (10 мкМ), цианидом калия (1 мМ) либо без обработки (контроль). rRNA -рибосомальная РНК (окрашивание бромистым этидием.)

Выбор генов осуществляли на основе анализа литературных данных, описывающих эксперименты с использованием ДНК-мнкрочипов. Были проверены следующие ядерные гены: cytCb (кодирует изоформу цитохрома С), gdh2 (ß-субъединица глутаматдегидрогеназы), atp2 (ß-субъединица АТФ-синтазы), diel и dtc (митохондриальные переносчики ди- и трикарбоновых

кислот). Ген aoxla был взят как наиболее хорошо охарактеризованный объект митохондриально-ядерной регуляции. В качестве отрицательного контроля был взят ядерный ген/го/, кодирующий субъединицу I комплекса дыхательной цепи.

3.2. Оценка изменения экспрессии генов-кандидатов при ингпбировании III дыхательного комплекса антнмнцмном А

Повышение уровня транскриптов при обработке клеток антимицином А наблюдали для генов gdh2 и aoxla (рис. 3). Далее изучали сигнальные пути, приводящие к индукции гена gdh2 в ответ на изменение редокс-

состояния митохондрий под действием антимицина А.

> >

> » J. ОЗ <ь

? ® <ь £ £

5 5 £ £ # I" 03 ® # # * / / / § $

» iw 4 ррнк

Рисунок 4. Уровень транскриптов генов gdIt2, сохЗ и frol при ингибировании 1, 111, IVдыхательных комплексов.

Представлены результаты радиоавтографии после Нозерн-гибридизациа. Клетки инкубировали с ротеноном (20 мкМ), антимицином А (10 мкМ), цианидом калия (1 мМ) либо без обработки (контроль). рРНК -рибосомальная РНК (окрашивание бромистым этидием.)

3.3.2. Исследование природы сигнала, участвующего в ретроградной регуляции экспрессии гена gdh2

Ингибирование III комплекса митохондриальной ЭТЦ антимицином А имеет ряд последствий: I) усиление образования АФК, 2) снижение трансмембранного потенциала внутренней мембраны митохондрии, 3)

увеличение степени восстановленности участка между I и III дыхательными комплексами и соответствующий сдвиг редокс-состояния компонентов ЭТЦ в восстановленную сторону. В целях исследования природы ретроградного сигнала, задействованного в регуляции экспрессии гена gdh2, были проведены эксперименты, последовательно проверяющие возможность участия перечисленных механизмов в данной регуляции.

3.3.2.1. Проверка гипотезы об участии АФК в регуляции экспрессии гена gdh2

Была проведена оценка изменений уровня АФК в клетках арабидопсиса в различных экспериментальных условиях (рис. 5). Повышение уровня транскриптов гена gdh2 при обработке клеток суспензионной культуры антимицином А и цианидом калия (рис. 4) коррелировало с повышением уровня АФК при этих обработках (рис. 5).

и Я 700 - §

о с. 600 &

f-ч с 500 О И Ö g 400

5 1?

Я", 300 3 О

Я о 200

о в

6 I 100

£ &

Iii

контроль ротенон АА KCN Варианты обработки

Н202

Рисунок 5. Уровень А ФК в суспензионной культуре клеток арабидопсиса после обработки ингибиторами дыхательных комплексов или перекисью водорода.

Клетки предварительно инкубировали с ротеноном (20 мкМ), антимицином А (10 мкМ), цианидом калия (1 мМ), перекисью водорода (10 мМ) либо без обработки (контроль).

Однако добавление к клеткам суспензионной культуры перекиси водорода не приводило к изменению уровня транскриптов gdh2 на

протяжении 6 ч обработки (рис. 6). Это противоречит гипотезе о ключевой роли АФК в ретроградной регуляции экспрессии гена gdh2.

<v <ö

Рисунок 6. Уровень транскриптов генов gdh2, сохЗ и frol при обработке клеток суспензионной культуры перекисью водорода.

Представлены результаты радиоавтографии после Нозерн-гибридизаг/ии. Клетки инкубировапи с перекисью водорода (10 мМ) либо без обработки (контроль). рРНК - рибосомапьная РНК (окрашивание бромистым этидием.)

В случае, если бы именно АФК обеспечивали индукцию гена gdh2, добавление к культуре клеток арабидопсиса антиоксидантов перед обработкой антимицином А снимало бы индуцирующий эффект последнего. Для проверки этого предположения за 30 мин до добавления антимицина А клетки суспензионной культуры были предобработаны антиоксидантом N-ацетилцистеином (NAC). Такая обработка значительно снижала уровень АФК в клетках (рис. 7), однако не отменяла индуцирующего влияния антимицина А на экспрессию гена gc//;2 (рис. 8).

Таким образом, повышение уровня АФК при ингибировании ЭТЦ антимицином А не является сигналом, индцирующим экспрессию гена gdli2.

300 250

f"* ■£ 200

л p i

w о с? . -и к = Ь0

Я Ч й Е о 5 100

О 'V

ST И -

II 50

е с.

£ 2 0

® W контроль NAC АА NAC+AA

I .

Варианты обработки

Рисунок 7. Уровень АФК в суспензионной культуре клеток арабидопсиса после обработки антимицином А и N-ацетилцистеииом.

Клетки предварительно инкубировали в течение 2 ч с NAC (1 мМ), антимицином А (10мкМ), с NAC и последующей обработкой антимицином А либо без обработки (контроль).

Рисунок 8. Уровень траискрпптов генов gdh2, сохЗ и frol при обработке клеток суспензионной культуры антимицином А и N-ацетнлцистенном.

Представлены результаты радиоавтографии после Нозерн-гибридизации. Контроль — инкубация без обработки, антимицин А - обработка антимицином А (10 мкМ) в течение 2 ч, NAC - обработка (1 мМ) в течение 2 ч, антимицин А + NAC - предобработка теток NAC (30 мин.) и последуюгцая обработка антимицином А в течение 2 ч. рРНК -рибосомальная РНК (окрашивание бромистым этидием).

3.3.2.2. Изучение возможной роли трансмембранного потенциала в регуляции экспрессии гена gdli2

Ингибиторы дыхательных комплексов и разобщители окислительного фосфорилирования оказывают сходное воздействие на трансмембранный потенциал внутренней мембраны митохондрий и уровень клеточной АТФ, но противоположным образом влияют на редокс-состояние дыхательной цепи. В результате обработки дыхательными ингибиторами протяженный участок ЭТЦ оказывается в сверхвосстановленном состоянии, тогда как разобщители приводят всю ЭТЦ в окисленное состояние (Мо11ег2001). При этом как ингибитор III комплекса антимицин А, так и разобщитель окислительного фосфорилирования протонофор трифторметоксикарбонилцианид фенилгидразон (carbonylcyanide-p-trifluoromethoxyphenyl hydrazone, FCCP) вызывают снижение трансмембранного потенциала внутренней мембраны митохондрии. Таким образом, если бы ретроградным сигналом, обеспечивающим регуляцию экспрессии гена gdh2, было снижение трансмембранного потенциала, то обработка клеток арабидопсиса FCCP оказывала бы на экспрессию gdh2 такой же эффект, как и обработка антимицином А.

Были проведены эксперименты по обработке суспензионной культуры арабидопсиса FCCP. Показано, что обработка FCCP не оказывала какого-либо влияния на уровень транскриптов gdh2 (рис. 9). Таким образом, индукция гена gdh2 под действием антимицина А не обусловлена уменьшением электрохимического потенциала митохондриальных мембран, а непосредственно зависит от редокс-состояния дыхательной цепи.

> ■> <r> CO

gdh2 frol

сохЗ

pPHK

Рисунок 9. Уровень транскриптов генов g(lli2, сохЗ и frol при обработке клеток суспензионной культуры ашншшцином А и FCCP.

Представлены результаты радиоавтографии после Нозерн-гибридизации. Клетки инкубировали с антимицином А (10 мкМ), FCCP (2 мкМ) либо без обработки (контроль). рРНК - рибосомальная РНК (окрашивание бромистым этидием).

3.3.2.3. Роль редокс-состояння убихинонового пула в регуляции экспрессии гена gdli2

Можно предположить, что экспрессия гена gdh2 реагирует на изменения редокс-состояния участка дыхательной цепи между I и III дыхательными комплексами. Поскольку на данном участке ЭТЦ локализуется убихиноновый пул, его редокс-состояние является наиболее вероятным кандидатом на роль ретроградного сигнала, индуцирующего экспрессию gdh2. Ключевая роль редокс-состояния хинонового пула была ранее показана для хлоропластно-ядерного сигналинга (Pfannschmidt et al., 2001; S игр in et al., 2002; Dutilleul et al., 2003). Для митохондриально-ядерной регуляции высказывались аналогичные предположения (Maxwell et al., 2002; Karpova et al, 2002).

3.3.3. Исследование роли протеинкнназ и протеннфоефатаз в передаче ретроградного сигнала, приводящего к индукцнн гена g(lli2

За 30 мин до добавления антимицина А клетки арабидопсиса предобрабатывали ингибитором серин/треониновых протеинкиназ

стауроспорином, ингибитором тирозиновых протеинкиназ геннстеином и ингибитором серин/треониновых фосфатаз типов 1 и 2А эндоталом. Дополнительно изучали уровень транскриптов гена альтернатнвной оксидазы аох1а при тех же обработках (рис. 10).

«Р -у /£> •Я # „<у „о

/* //

/ / ^

^ <Г ¿У ^ ^ ^ Я

^ ^ <?* ^ /

ж -¡т т т

дс)Ь2 аох1а сохЗ Ш

рРНК

Рисунок 10. Влияние ингибиторов протеинкиназ и протеинфосфатаз на индукцию гена ¡><1112 под действием анти.мицина А.

Клетки предобрабатывали эндоталом (50 мкМ), генистеином (50 мкМ) и стауроспорином (0,4 мкМ) за 30 мин до добавления антимгщина А (10 мкМ). После добавления антимицина А клетки инкубировали в течение 2 ч.

Результаты свидетельствуют о том, что в передаче сигнала, ведущего к активации экспрессии gdh2, решающую роль играют серин-треониновые протеинкиназы.

3.3.4. В ретроградной регуляции экспрессии генов gdll2 и аох1а арабидопсиса под действием антимицнна А участвуют различные сигнальные пути

Полученные нами данные позволяют говорить по меньшей мере о двух различиях в механизмах митохондриально-ядерной регуляции экспрессии генов gdh2 и аох!а арабидопсиса. Во-первых, для gdh2 наиболее вероятным кандидатом на роль инициатора ретроградной регуляции является изменение

редокс-состояния пула убихинона, тогда как для гена aoxla таким сигналом является повышение уровня внутримитохондриальных АФК. Во-вторых, для гена gdh2 в передаче регуляторного сигнала наибольшее значение имеют серин/треониновые протеинкиназы, тогда как в регуляции экспрессии гена aoxla эти протеинкиназы, по-видимому, не участвуют. Таким образом, как инициация, так и передача ретроградного сигнала, приводящего к индукции экспрессии генов gdh2 и aoxla арабидопсиса, осуществляется при участии различных регуляторных механизмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе обнаружены различия в уровнях транскриптов шести митохондриальных генов проростков кукурузы, возникающие при обработке проростков ингибиторами III дыхательного комплекса и альтернативной оксидазы. Показано, что уровень транскриптов функционально связанных генов изменяется при таких обработках сходным образом, что может иметь приспособительное значение для растения. Обнаружено, что изменение уровня транскриптов одних и тех же генов при ингибировании III комплекса антимицином А и ингибитором альтернативной оксидазы СГК было различным. Это свидетельствует о множественности механизмов регуляции экспрессии митохондриальных генов растений. Мы предполагаем, что различные последствия обработки проростков кукурузы антимицином А и СГК можно объяснить функционированием двух независимых сигнальных путей, один из которых связан с изменением уровня АФК, а другой - с изменением редокс-состояния ЭТЦ.

Исследована митохондриально-ядерная регуляция гена gdh2, кодирующего ß-субъединицу глутаматдегидрогеназы арабидопсиса, при ингибировании митохондриальной ЭТЦ. Показано, что ингибирование комплексов III и IV ЭТЦ митохондрий в клетках суспензионной культуры арабидопсиса вызывает индукцию экспрессии гена gdh2. Показано, что сигналом, инициирующим индукцию gdh2, является не повышение уровня АФК и не снижение трансмембранного потенциала сопрягающей мембраны

митохондрий, а редокс-состояние участка митохондриальной ЭТЦ, содержащего убихиноновый пул. Показана также необходимость участия серин/треониновых протеинкиназ в передаче ретроградного сигнала об индукции гена gdh2 от митохондрий к ядру.

Наиболее исследованным примером митохондриально-ядерной регуляции экспрессии генов у растений являются гены альтернативной оксидазы. Согласно данным литературы, экспрессия гена альтернативной оксидазы индуцируется повышением уровня АФК как при специфическом ингибировании ЭТЦ митохондрий, как и при окислительном стрессе различного происхождения. В нашей работе показано, что для гена gdh2 арабидопсиса роль ретроградного сигнала, инициирующего индукцию экспрессии, играет не повышение уровня АФК, а редокс-состояние участка цепи, содержащего убихиноновый пул. Кроме того, нами показано, что дальнейшая передача ретроградного сигнала в ядро для этих двух генов также происходит различными путями: для индукции гена gdh2 необходимо участие серин/треониновых протеинкиназ, тогда как в регуляции экспрессии гена aoxla эти протеинкиназы не принимают участия. Таким образом, в настоящей работе описан новый пример митохондриально-ядерной редокс-регуляции у растений. Полученные нами данные иллюстрируют разнообразие специфичных для определенных генов сигнальных путей, точкой пересечения которых является растительная митохондрия.

ВЫВОДЫ

1. Ингибирование работы электрон-транспортной цепи митохондрий на уровне третьего дыхательного комплекса вызывает дифференциальный ответ экспрессии митохондриальных генов кукурузы сох!, сохЗ, cob, alp9, rpsl3, причем гены coxl, сохЗ и cob, продукты которых функционально связаны, отвечают координированным изменением экспрессии.

2. Содержание транскриптов ядерного гена gdh2, кодирующего ß-субъеднницу глутаматдегидрогеназы арабидолсиса, значительно возрастает в условиях ингибирования III и IV комплексов ЭТЦ. Ингибирование I комплекса не приводит к изменению экспрессии данного гена.

3. Индукция экспрессии гена gdh2 не связана с увеличением уровня АФК, деполяризацией внутренней митохондриальной мембраны и/или снижением синтеза АТФ в результате ингибирования ЭТЦ, а непосредственно зависит от редокс-состояния дыхательной цепи. Наиболее вероятным кандидатом на роль первичного сигнала для гена gdh2 является редокс-состояние убихинонового пула.

4. Фосфорилирование белков, осуществляемое серин/треониновыми протеинкиназами, является необходимым этапом в процессе передачи сигнала, индуцирующего экспрессию гена gdh2.

5. В передаче сигнала, индуцирующего экспрессию генов aoxla и gdh2, участвуют разные сигнальные каскады. Повышение уровня АФК является сигналом, инициирующим индукцию экспрессии гена aoxla, но не гена gdh2. Участие серин/треониновых протеинкиназ является необходимым для передачи регуляторного сигнала от митохондрии к ядру для индукции экспрессии гена gdh2, но не гена aoxla.

6. Система редокс-сигналинга растительных митохондрий основана на использовании множественных сигнальных путей, что обеспечивает дифференциальную регуляцию отдельных групп митохондриальных и ядерных редокс-чувствительных генов в ответ на изменение редокс-гомеостаза митохондрий.

Список опубликованных работ по теме диссертации

I. Tarasenko, V.l. Differential expression of mitochondrial genes under redox state changes caused by respiratory inhibitor antimycin A / V.l. Tarasenko, E.Y. Garnik,

V.F. Kobzev, Y.M. Konstantinov // Maize Genetics Cooperation Newsletter. -2005. - V.79. - P.20.

2. Garnik, E.Yu. Different expression of maize mitochondrial genes upon the changes of mitochondria redox state / E.Yu. Garnik, V.I. Tarasenko, V.F. Kobzev, Yu.M. Konstantinov // Abstracts of "International Congress on Plant Mitochondrial Biology" (May 28 - June 2, 2005, Obernai, France). - Obernai, France. - 2005. - P57.

3. Гарник, Е.Ю. Дифференциальная экспрессия митохондриальных генов кукурузы при изменении редокс-состояния митохондрий / Е.Ю. Гарник, В.И. Тарасенко, В.Ф. Кобзев, Ю.М. Константинов // Физиология растений. - 2006. - Т.53, № 4.-С.518-524.

4. Гарник, Е.Ю. Дифференциальная экспрессия митохондриальных генов кукурузы при изменении редокс-состояния митохондрий / Е.Ю. Гарник, В.И. Тарасенко, В.Ф. Кобзев, Ю.М. Константинов // Матер. Всероссийской научн. конф. «Структура и экспрессия митохондриального генома растений» (3-7 сентября 2006 г). - Иркутск. - 2006. - С.30-34.

5. Konstantinov, Yu.M. Glutathione- dependent alterations in maize mitochondrial transcription and translation. Presumable link to redox signaling involved in regulation of plant mitochondrial gene expression / Yu.M. Konstantinov, I. Subota, V. Tarasenko, E. Garnik et al. // Book of Abstracts 3rd International Symposium "Signals, Sensing and Plant Primary Metabolism" of the Collaborative Research Center SFB 429 "Molecular Physiology, Energetics, and Regulation of Primary Metabolism in Plants" (26-29 April, 2006). - Potsdam, Germany, Auditorium Maximum. - 2006. - P.70.

6. Гарник, Е.Ю. Митохондриальная регуляция экспрессии гена глутаматдегидрогеназы арабидопсиса как новый пример митохондриально-ядерных взаимодействий / Е.Ю. Гарник, В.И. Тарасенко, В.Н. Шмаков и др. // Изв. Иркутского гос. ун-та. Сер. Биология. Экология. - 2008. - Т. 1, № 2. -(принято в печать)

7. Тарасенко, В.И. Экспрессия гена глутаматдегидрогеназы арабидопсиса зависит от редокс-состояния митохондриальной дыхательной цепи / В.И. Тарасенко, Е.Ю. Гарник, В.Н. Шмаков, Ю.М. Константинов // Матер. IV съезда Российского общества биохимиков и молекулярных биологов (11-15 мая 2008 г). - Новосибирск. - 2008. -С.503.

8. Тарасенко, В.И. Индукция экспрессии гена gdh2 арабидопсиса при изменении редокс-состояния митохондриальной дыхательной цепи / В.И. Тарасенко, Е.Ю. Гарник, В.Н. Шмаков, Ю.М. Константинов // Биохимия. -2009. - Т. 74, № 1. - С. 62-69.

9. Гарник, Е.Ю. Исследование митохондриально-ядерной регуляции экспрессии гена глутаматдегидрогеназы арабидопсиса / Е.Ю. Гарник, В.И. Тарасенко, В.Н. Шмаков, Ю.М. Константинов // Матер. Всероссийской научн. конф. «Устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней среды» (24-28 августа 2009 г). - Иркутск. - 2009. - С.85-88.

10. Тарасенко, В.И. Характеристика растений арабидопсиса с инактивированным геном Ре-5-субъединицы комплекса I дыхательной цепи митохондрий / В.И. Тарасенко, Е.Ю. Гарник, Ю.М. Константинов // Физиология растений. -2010. - Т. 57, № 2. - (принято в печать).

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гарник, Елена Юрьевна

СОДЕРЖАНИЕ.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Генетический аппарат растительной клетки как совокупность ядерного, пластидного и митохондриального геномов.

1.1.1. Краткая характеристика ядерного генома растений.

1.1.2. Краткая характеристика пластидного генома растений.

1.1.3. Краткая характеристика митохондриального генома растений.

1.1.4. Митохондриальные мутанты у растений.

1.1.4.1. Мутанты с нарушением роста и развития.

NCS-мутанты кукурузы.

MDL-мутанты арабидопсиса.

MCS-мутанты огурца.

CMS I и CMS Ii-мутанты Nicotiana sylvestris.

Другие митохондриальные мутанты с нарушениями роста и развития.

1.1.4.2. Мутанты с цитоплазматической мужской стерильностью, обусловленной химерными митохондриальными последовательностями.

1.2. Взаимодействие трех генетических систем растительной клетки.

1.2.1. Общие принципы ядерного контроля экспрессии генов растительных органелл.

1.2.1.1. Ядерный контроль над экспрессией пластидного генома.

1.2.1.2. Ядерный контроль над экспрессией митохондриального генома.

1.2.2. Митохондриально-хлоропластные взаимодействия.

1.2.3. Ретроградная регуляция ядерной экспрессии у растений.

1.2.3.1. Редокс-гомеостаз и редокс-сигналинг в растительной клетке.

1.2.3.2. Хлоропластно-ядерные взаимодействия.

Тетрапирролъные сигналы.

Оксолипиновые сигналы.

Сигналы, контролируемые фотосинтезом.

Сигналы, опосредуемые тиоредоксином.

Пластидныйредокс-статус и метаболические сигналы.

Сигналы, опосредуемые абсцизовой кислотой.

1.2.3.3. Митохондриально-ядерные взаимодействия.

1.2.3.3.1. Ретроградные сигналы при программируемой клеточной смерти (ПКС).

1.2.3.3.2. Влияние митохондриальных мутаций на экспрессию ядерных генов.

1.2.3.3.3. Состояние митохондрий при стрессе как фактор регуляции отдельных ядерных генов.

1.3. Передача митохондриально-ядерных ретроградных сигналов у растений.

1.3.1. Предполагаемые сигналы ретроградной регуляции.„.

1.3.1.1. АФК как ретроградный сигнал.

1.3.1.2. Уровень восстановленности ЭТЦ как ретроградный сигнал.

1.3.1.3. Степень поляризованности митохондриальной мембраны как ретроградный сигнал.

1.3.2. Дальнейшая передача ретроградного сигнала: возможные компоненты митохондриально-ядерных ретроградных путей.

Тиоловые соединения и другие низкомолекулярные антиоксиданты.

Кальций.

Оксид азота NO.

Протеинкиназы и протеинфосфатазы.

Редокс-регулируемые факторы транскрипции.

1.4. Итоги обзора литературы.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

2.1. Объекты исследования.

2.1.1. Выращивание и обработка этиолированных проростков кукурузы.

2.1.2. Выращивание суспензионных культур клеток арабидопсиса.

2.2. Методы исследования.

2.2.1 .Выделение митохондрий из проростков кукурузы.

2.2.2. Выделение ДНК из растительного материала.

2.2.3. Выделение РНК из растительного материала.

2.2.4. Электрофоретическое разделение РНК в агарозном геле в нативных условиях

2.2.5. Синтез первой цепи кДНК.

2.2.6. Подбор праймеров, мечение и очистка зондов.

2.2.7. Нозерн-гибридизация.

2.2.7.1. Электрофоретическое разделение РНК в агарозном геле в денатурирующих условиях и перенос РНК на мембрану.

2.2.7.2. Гибридизация мембраны с мечеными ДНК-зондрами.

2.2.8. Денситометрия радиоавтографов.

2.2.9. Оценка уровня АФК флюориметрическим методом.

2.2.10. Оценка жизнеспособности клеток суспензионной культуры по восстановлению 2,3,5-трифенилтетразолий хлорида.

2.2.11. Статистическая обработка результатов.

2.2.12. Приготовление, использование и хранение маточных растворов.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Исследование экспрессии митохондриальных генов кукурузы {Zea mays) при ингибировании III дыхательного комплекса и альтернативной оксидазы.

3.2. Исследование экспрессии митохондриальных генов арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) при ингибировании III дыхательного комплекса антимицином А.

3.3. Исследование экспрессии ядерных генов арабидопсиса, кодирующих митохондриальные белки, при ингибировании различных участков митохондриальной ЭТЦ.

3.3.1. Поиск генов-кандидатов, экспрессия которых регулируется редокс-состянием ЭТЦ.

3.3.2. Оценка изменения экспрессии генов-кандидатов при ингибировании III дыхательного комплекса антимицином А.

3.3.3. Изучение механизмов регуляции экспрессии гена gdh2 при изменении редокс-состояния ЭТЦ.

3.3.3.1. Динамика изменения уровня транскриптов гена gdh при обработке суспензионной культуры клеток арабидопсиса антимицином А.

3.3.3.2. Изучение изменений экспрессии геяа gdh2 при ингибировании I, III, IV дыхательных комплексов.

3.3.3.3. Исследование природы сигнала, участвующего в ретроградной регуляции экспрессии гена gdh2.

3.3.3.3.1. Проверка гипотезы об участии АФК в регуляции экспрессии геяа gdh2.

3.3.3.3.2. Изучение возможной роли трансмембранного потенциала в регуляции экспрессии гена gdh2.

3.3.3.3.3. Роль редокс-состояние убихинонового пула в регуляции экспрессии гена gdh2.

3.3.3.4. Исследование роли протеинкиназ и протеинфосфатаз в передаче ретроградного сигнала, участвующего в регуляции экспрессии гена gdh2.

3.3.3.5. В ретроградной регуляции экспрессии генов gdh2 и аох1а арабидопсиса под действием антимицина А участвуют различные сигнальные пути.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Изучение роли редокс-сигналинга в регуляции экспрессии митохондриальных и ядерных генов растений"

Актуальность проблемы. В ходе онтогенеза растительная клетка эффективно координирует активность трех геномов - ядерного, пластидного и митохондриального — в непрерывно изменяющихся условиях окружающей среды. Такая координация оказывается возможной за счет существования двух противоположно направленных процессов. С одной стороны, это ядерный контроль над экспрессией геномов хлоропластов и митохондрий. С другой стороны, это обратная (ретроградная) регуляция, направленная от хлоропластов и митохондрий к ядру, несущая информацию о состоянии и функционировании этих органелл в данных конкретных условиях и обеспечивающая таким образом обратную связь между цитоплазмой и ядром. Важнейшую роль в переносе информации от органелл к ядру играют редокс-сигналы. Ретроградная регуляция у растений была обнаружена относительно недавно и наиболее подробно изучена на примере регуляции экспрессии так называемых светочувствительных ядерных генов. В ответ на изменение качества либо интенсивности освещения изменяется стехиометрический состав белков светособирающих комплексов хлоропластов, а также происходят изменения интенсивности процессов биосинтеза хлорофиллов, каротиноидов и других пигментов. Практически все белки, вовлеченные в осуществление этих процессов, кодируются в ядре. Очевидно, что информация об изменении качества или интенсивности освещения должна поступать в ядро от хлоропластов и приводить к изменению экспрессии ядерных генов.

Митохондриально-ядерная регуляция у растений изучена значительно слабее. Наиболее яркое событие, в котором несомненно задействован митохондриально-ядерный сигналинг - это программируемая клеточная смерть. Однако в последние годы становится ясно, что митохондриально-ядерная ретроградная регуляция у растений имеет место и в условиях различных стрессов, не приводящих к гибели клетки, и в нормальных физиологических условиях. Так, исследования митохондриальных мутантов, дефектных по компонентам электронтрапспортной цепи, показывают, что сигналы, происходящие от дыхательной цепи, могут обусловливать значительные перестройки клеточного метаболизма без перевода клетки в состояние окислительного стресса.

Конкретные механизмы производства и передачи митохондриально-ядерных сигналов у растений изучены на сегодняшний день недостаточно. Одними из главных претендентов на роль ретроградных сигналов являются активные формы кислорода (АФК). Однако современные исследования показывают, что АФК далеко не во всех случаях могут служить переносчиками даже первичного ретроградного сигнала. При этом очевидно, что для дальнейшего переноса информации от митохондрии через цитоплазму в ядро необходимо участие либо более стабильных, чем АФК, соединений, либо сигнальных каскадов, обеспечивающих быстроту и надежность передачи сигнала. Наиболее активно изучаются механизмы ретроградной регуляции экспрессии генов альтернативной оксидазы, но и эти механизмы ясны не до конца.

Недостаточная изученность и несомненная важность вопроса о механизмах митохондриально-ядерной регуляции у растений обусловливают большой интерес исследователей к этой области. Современные подходы с использованием ДНК-чипов позволяют в одном эксперименте выявлять тысячи генов, экспрессия которых изменяется в ответ на то или иное воздействие, однако не позволяют изучать механизмы регуляции конкретных генов. Последняя задача требует кропотливой работы, направленной на выявление условий и компонентов цепи передачи сигнала в каждом конкретном случае.

Цели и задачи. Целью настоящей работы было изучение механизмов регуляции экспрессии митохондриальных и ядерных генов растений при изменении редокс-состояния митохондрий. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучение влияния изменения редокс-состояния митохондрий при ингибировании электрон-транспортной цепи на экспрессию митохондриальных генов проростков кукурузы и суспензионной культуры арабидопсиса.

2. Изучение влияния ингибирования ЭТЦ митохондрий на экспрессию редокс-чувствительных ядерных генов арабидопсиса, кодирующих белки митохоидриальной локализации.

3. Изучение биохимических механизмов ретроградного редокс-сигналинга, обеспечивающего регуляцию исследуемых генов.

Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые показана дифференциальная экспрессия митохондриальных генов кукурузы при иигибировании третьего комплекса митохондриальной ЭТЦ. Обнаружено, что изменение экспрессии генов, кодирующих компоненты дыхательных комплексов, происходит в этом случае в целом координировано, тогда как изменения экспрессии гена rpsl3, кодирующего рибосомальный белок, не согласованы с изменениями генов компонентов дыхательных комплексов. Показано усиление экспрессии ядерного гена gdh2, кодирующего ß-субъединицу митохондриального фермента глутаматдегидрогеназы арабидопсиса, при ингибировании третьего и четвертого дыхательных комплексов. Впервые исследован возможный механизм генерации и передачи ретроградного сигнала, приводящего к изменению экспрессии гена gdh2. Показано, что первичным сигналом служит редокс-состояние ЭТЦ (предположительно - редокс-состояние убихинонового пула). Впервые показано, что участие серин-треониновых протеинкиназ необходимо для передачи данного сигиала в ядро. Показано, что путь передачи ретроградного сигнала, используемый для регуляции гена gdh2, не идентичен пути, используемому для регуляции гена aoxla.

Научная и практическая ценность работы. Работа посвящена изучению механизмов митохондриально-ядерной регуляции растительных генов. Установлен факт ретроградной регуляции митохондриальных генов кукурузы в ответ на изменение редокс-состояния митохондрий. Получены данные о первичных редокс-сигналах, генерируемых митохондриями, и путях передачи ретроградного сигнала для регуляции экспрессии гена gdh2 арабидопсиса. Показано, что пути ретроградной регуляции гена aoxla и гена gdh2 неидентичны. Полученные данные расширяют представления о разнообразии механизмов митохондриально-ядерной регуляции экспрессии генов растений и важны для понимания явлений, связанных с митохондриально-ядерными взаимодействиями, в том числе цитоплазматической мужской стерильности у хозяйственно ценных видов растений.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Международном конгрессе «International Congress on Plant Mitochondrial Biology» (Obernai, France, 2005), на Всероссийской конференции «Структура и экспрессия митохондриального генома растений» (Иркутск, 2006), на III Международном симпозиуме «Signals, Sensing and Plant Primary Metabolism» of the Collaborative Research Center SFB 429 «Molecular Physiology, Energetics, and Regulation of Primary Metabolism in Plants» (Potsdam, Germany, 2006), на II Всероссийской научно-практической конференции «Развитие физико-химической биологии и биотехнологии на современном этапе» (Иркутск, 2008), на IV съезде Российского общества биохимиков и молекулярных биологов (Новосибирск, 2008), на Всероссийской научной конференции «Устойчивость организмов к неблагоприятным факторам внешней среды» (Иркутск, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 10 печатных работах, в т.ч. трех статьях в журналах из перечня ВАК.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Гарник, Елена Юрьевна

ВЫВОДЫ

1. Ингибирование работы электрон-транспортной цепи митохондрий на уровне третьего дыхательного комплекса вызывает дифференциальный ответ экспрессии митохондриальных генов кукурузы coxl, сохЗ, cob, atp9, rpsl3, причем гены coxl, сохЗ и cob, продукты которых функционально связаны, отвечают координированным изменением экспрессии.

2. Содержание транскриптов ядерного гена gdh2, кодирующего ß-субъединицу глутаматдегидрогеназы арабидопсиса, значительно возрастает в условиях ингибирования III и IV комплексов ЭТЦ. Ингибирование I комплекса не приводит к изменению экспрессии данного гена.

6. Система редоке-сигналинга растительных митохондрий основана на использовании множественных сигнальных путей, что обеспечивает дифференциальную регуляцию отдельных групп митохондриальных и ядерных редокс-чувствительных генов в ответ на изменение редокс-гомеостаза митохондрий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время проблемы взаимодействия и координированной экспрессии ядерного, митохондриального и пластидного геномов растительной клетки привлекают всё большее внимание исследователей. В частности, большой интерес вызывает возможность дифференциальной экспрессии митохондриальных генов растений, которая до сих пор подтверждена только косвенно, преимущественно фактами различия транскрипционных паттернов митохондриальных генов в различных органах и тканях растений. В настоящей работе обнаружены различия в уровнях транскриптов шести митохондриальных генов проростков кукурузы, возникающие при обработке проростков ингибиторами III дыхательного комплекса и альтернативной оксидазы. Показано, что уровень транскриптов функционально связанных генов изменяется при таких обработках сходным образом, что может иметь приспособительное значение для растения. Обнаружено, что изменение уровня транскриптов одних и тех же генов при ингибировании III дыхательного комплекса антимицином А и ингибитором альтернативной оксидазы СГК было различным. Это свидетельствует о множественности механизмов регуляции экспрессии митохондриальных генов растений. Мы предполагаем, что различные последствия обработки проростков кукурузы антимицином А и СГК можно объяснить функционированием двух независимых сигнальных путей, один из которых связан с изменением уровня АФК, а другой - с изменением редокс-состояния ЭТЦ.

Проблема так называемой ретроградной регуляции, т.е. регуляции экспрессии ядерных генов под действием сигналов, приходящих от органелл, также является актуальной. В частности, митохондриально-ядерная регуляция у растений на сегодняшний день фактически остается белым пятном, что не позволяет выстроить полное представление о взаимодействии трех генетических систем растительной клетки - пластидной, митохондриальной и ядерной. В настоящей работе исследована митохондриально-ядерная регуляция гена gdh2, кодирующего бета-субъединицу глутаматдегидрогеназы арабидопсиса, при ингибировании митохондриальной ЭТЦ. Показано, что ингибирование III или IV дыхательных комплексов ЭТЦ митохондрий в клетках суспензионной культуры арабидопсиса вызывает индукцию экспрессии гена gdh2. Впервые изучены возможные кандидаты на роль первичного фактора, запускающего ретроградный сигналинг для данного гена. Показано, что сигналом, инициирующим индукцию gdh2, является не повышение уровня АФК и не снижение трансмембранного потенциала сопрягающей мембраны митохондрий, а редокс-состояние участка митохондриальной ЭТЦ, содержащего убихиноновый пул. Показана также необходимость участия серин/треониновых протеинкиназ в передаче ретроградного сигнала об индукции гена gdh2 от митохондрий к ядру.

Наиболее исследованным примером митохондриально-ядерной регуляции экспрессии генов у растений являются гены альтернативной оксидазы. Согласно данным литературы, ретроградная индукция экспрессии альтернативной оксидазы инициируется повышением уровня АФК как при специфическом ингибировании ЭТЦ митохондрий, как и при окислительном стрессе различного происхождения. В нашей работе показано, что для гена gdh2 арабидопсиса роль ретроградного сигнала, инициирующего индукцию экспрессии, играет не повышение уровня АФК, а редокс-состояние участка цепи, содержащего убихиноновый пул. Таким образом, регуляторные механизмы, приводящие к сходным изменениям в экспрессии aoxla и gdh2 при ингибировании ЭТЦ, оказываются различны. Кроме того, нами показано, что дальнейшая передача ретроградного сигнала в ядро для этих двух генов также происходит различными путями: для индукции гена gdh2 необходимо участие серин/треониновых протеинкиназ, тогда как в регуляции экспрессии гена aoxla эти протеинкиназы, по всей видимости, не принимают участие. Таким образом, в настоящей работе описан новый пример митохондриально-ядерной ретроградной регуляции у растений.

Полученные нами данные иллюстрируют разнообразие специфичных для определенных генов сигнальных путей, точкой пересечения которых является растительная митохондрия.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гарник, Елена Юрьевна, Иркутск

1. Зеленин, A.B. Геном растений / A.B. Зеленин // Вестник Российской Академии Наук. 2003. - Т.73, №9. - С.797-806.

2. Еникеев, А.Г. Об использовании 2,3,5-трифенилтетразолий хлорида для оценки жизнеспособности культур растительных клеток / А.Г. Еникеев, Е.Ф. Высоцкая, JI.A. Леонова и др. // Физиология растений. 1995. - Т.42, №3. -С.423-426.

3. Катышев, А.И. Характеристика транскриптов генов Мп-и Cu/Zn-содержащих супероксиддисмутаз Larix gmelinii / А.И. Катышев, Ю.М. Константинов, В.Ф. Кобзев // Молекулярная биология. 2006. - Т.40, №2. - С.372-374.

4. Константинов, Ю.М., Субота И.Ю., Арзиев А.Ш. Влияние редокс-системы глутатиона на трансляционную активность митохондрий кукурузы {Zea mays) / Ю.М. Константинов, И.Ю. Субота, А.Ш. Арзиев // Доклады Академии Наук. 1999.-Т.365,№1.-С. 126-128.

5. Константинов, Ю.М. Влияние редокс-условий на синтез белка в изолированных митохондриях кукурузы {Zea mays) / Ю.М. Константинов, И.Ю. Субота, А.Ш. Арзиев // Доклады Академии Наук. 1997. - Т.354, № 5. -С.699-701.

6. Маниатис, Т. Молекулярное клонирование / Т. Маниатис, Э. Фрич, Д. Сэмбрук. М.: Мир, 1984. - 480 с.

7. Патрушев, Л.И. Искусственные генетические системы. Т.1. Генная и белковая инженерия / Л.И. Патрушев. М.: Наука, 2004. - 525 с.

8. Тарасенко, В.И. Выделение митохондриальных белков, специфично связывающихся с промоторной областью гена сох J кукурузы / В.И. Тарасенко, И.Ю. Субота, В.Ф. Кобзев и др. // Молекулярная биология. 2005. - Т.39, №3. -С. 394-401.

9. Хворостов, И.Б. Митохондриальный геном высших растений: регуляция генной экспрессии / И.Б. Хворостов, М.К. Иванов, Г.М. Дымшиц // Молекулярная биология. 2002. - Т.36, №3. - С.408-417.

10. Arrigo, А.Р. Gene expression and the thiol redox state / A.P. Arrigo // Free Rad. Biol. Med. 1999. - V.27. - C.936-944.

11. Aubert, S.R. Contribution of glutamate dehydrogenase to mitochondrial glutamate metabolism studied by C-13 and P-31 nuclear magnetic resonance / S.R. Aubert, R. Bligny, R. Douce et al. // J. Exp. Bot. 2001. - V.52. - P.37-45.

12. Auger, D.L. Nuclear gene dosage effects upon the expression of maize mitochondrial genes / D.L. Auger, K.J. Newton, J.A. Birchler // Genetics. 2001. -V. 157. -P.1711-1721.

13. Baier, M. Chloroplasts as source and target of cellular regulation: a discussion on chloroplast redox signals in the context of plant physiology / M. Baier, K.-J. Dietz // J. Exp. Bot. 2005. - V.56. - P. 1449-1462.

14. Balk, J. The PET1-CMS mitochondrial mutation in sunflower is associated with premature programmed cell death and cytochrome c release / J. Balk, C.J. Leaver // Plant Cell. 2001. - V. 13. - P. 1803-1818.

15. Balogh, G. The hyperfluidization of mammalian cell membranes act as a signal to initiate the heat shock protein response / G. Balogh, I. Horvath, E. Nagy et al. // FEBS J. 2005. - V.272. - P.6077-6086.

16. Barroso, J.B. Localisation of nitric-oxide synthase in plant peroxisomes / J.B. Barroso, F.J. Capras, A. Carreras et al. // J. Biol. Chem. 1999. - V.274. - P.36729-36733.

17. Basu, U. Transgenic Brassica napus plants overexpressing aluminium-indused mitochondrial manganese superoxide dismutase cDNA are resistant to aluminium / U. Basu, A.G. Good, G. J. Taylor // Plant Cell Environ. 2001. - V.24. - P. 12691278.

18. Baxter, C.J. The metabolic response of heterotrophic Arabidopsis cells to oxidative stress / C.J. Baxter, H. Redestig, N. Schauer et al. // Plant Physiol. 2007. - V.143. -P.312-325.

19. Bellafiore, S. State transitions and light adaptation require chloroplast thylakoid protein kinase STN7 / S. Bellafiore, F. Barneche, G. Peltier et al. // Nature. 2005. - V.433. - P.892-895.

20. Bendich, A.J. Why do chloroplasts and mitochondria contain so many copies of their genome? / A.J. Bendich // BioEssays. 1987. - V.6. - P.279-282.

21. Binder, S. Gene expression in plant mitochondria: transcriptional and post-transcriptional control / S. Binder, A. Brennike // Phil. Trans. Soc. Lond. 2003. -V.358. - P.181-189.

22. Bonen, L. The mitochondrial genome and its expression / L. Bonen, M. Gray // Plant metabolism. Addison Wesley Longman Limited, 1997. - P. 166-180.

23. Bonnema, A.B. Molecular and ultrastructural analysis of a nonchromosomal variegated mutant / A.B. Bonnema, C. Castillo, N. Reiter et al. // Plant Physiol. -1995. V.109. - P.385-392.

24. Bonnett, H. A mutation causing variegation and abnormal development in tobacco is associated with an altered mitochondrial DNA / IT. Bonnett, I. Djurber, M. Fajardo, K. Glimelius //Plant J. 1993. - V.3. -P.519-525.

25. Bouvier, F. Induction and control of chromoplast-specific carotenoid genes by oxidative stress / F. Bouvier, R.A. Backhaus, B. Camara // J. of Biol. Chemistry. -1998. V.273. - P.30651-30659.

26. Casolo, V. The role of mild uncoupling and non-coupled respiration in the regulation of hydrogen peroxide generation by plant mitochondria / V. Casolo, E. Braidot, E. Chiandussi et al. // FEBS Lett. 2000. - V.475. - P.53-57.

27. Chen, W. The auxin, hydrogen peroxide and salicylic acid indused expression of the Arabidopsis GST6 promoter is mediated in part by an osc element / W. Chen, K.B. Sing // Plant J. 1999. -V. 19. - P.667-678.

28. Chen, W.P. Chilling-induced Ca+ overload enhances production of active oxygen species in maize (Zea mays L.) cultured cells: the effect of abscisic acid treatment / W.P. Chen, P.H. Li //Plant Cell Environ. -2001. -V.24. -P.791-800.

29. Chen, W. Expression profile matrix of Arabidopsis transcription factor genes suggests their putative functions in response to environmental stresses / W. Chen, N.J. Provart, J. Glazebrook et al. // Plant Cell. 2002. - V.14. - P.559-574.

30. Cheong, Y.H. Transcriptional profiling reveals novel interactions between wounding, pathogen, abiotic stress, and hormonal responses in Arabidopsis / Y.H. Cheong, H.-S. Chang, R. Gupta et al. // Plant Physiol. 2002. - V.129. - P.661-677.

31. Christensen, C.A. Mitochondrial GFA2 is required for synergid cell death in Arabidopsis / C.A. Christensen, S.W. Gorsich, R.H. Brown et al. // Plant Cell. -2002. V.14. -P.2215-2232.

32. Conley, C.A. Tissue-specific protein expression in plant mitochondria / C.A. Conley, M.R. Hanson // Plant Cell. 1994. - V.6. - P. 85-91.

33. Cooper, P. Maize nuclear background regulates the synthesis of a 22-kDa polypeptide in Zea luxurians mitochondria / P. Cooper, K. Newton // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1989. - V.86. - P.7423-7426.

34. Covello, P.S. RNA editing in plant mitochondria / P.S. Covello, M.W. Gray // Nature. 1989. - V.341. - P.662-666.

35. Davletova, S. Cytosolic ascorbate peroxidase 1 is a central component of the reactive oxygen gene network of Arabidopasis / S. Davletova, L. Rhizhsky, H. Liang et al. // Plant Cell. 2005. - V. 17. - P.268-281.

36. De Paepe, R. Specific mitochondrial proteins in pollen: presence of an additional ATP synthase B subunit / R. De Paepe, A. Forchlonl, P. Chetrlt et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1993. - V.90. - P.5934-5938.

37. Desikan, R. A role for ETR1 in hydrogene peroxide signaling in stomatal guard cells / R. Desikan, J.T. Hancock, J. Bright et al. // Plant Physiol. 2005. - V.137. -P.831-834.

38. Djajanegara, I. Regulation of alternative oxidase gene expression in soybearn / I. Djajanegara, P.M. Finnegan, C. Matieu et al. // Plant Mol. Biol. 2002. - V.50. -P.735-742.

39. Dojcinovic, D. Identification of regions of the Arabidopsis AtAOXla promoter impotant for developmental and mitochondrial retrograde regulation of expression /

40. D. Dojcinovic, J. Krosting, A.J. Harris // Plant Mol. Biol. 2005. - V.58. - P. 159175.

41. Douglas, A.E. Genomes at interface between bacteria and organelles / A.E. Douglas, J.A. Raven // Philos. Trans. R. Sos. B. Biol. Sci. 2003. - V.358. - P.5-17.

42. Dubois, F. Glutamate dehydrogenase in plants: is there a new story for an old enzyme? / F.Dubois, T. Terce-Laforgue, M.B. Gonzalez-Moro et al. // Plant Physiol. Biochem. 2003. - V.41. - P.565-576.

43. Escoubas, J.-M. Light intensity regulation of cab gene transcription is signaled by the redox state of plastoquinone pool / J.-M. Escoubas, M. Lomas, J. La Roche et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. - V.92. - P. 10273-10241.

44. Fauron, C. Maize as a model of higher plant plasticity / C. Fauron, B. Moor, M. Casper // Plant Sci. 1995. - V. 112. - P. 11-32.

45. Fey, V. Retrograde plastide redox signals in the expression of nuclear genes for chloroplast proteins of Arabidopsis thaliana / V. Fey, R. Wagner, K. Brautigam et al. // J. of Biol. Chem. 2005. - V.280. - P.5318-5328.

46. Finkemeier, I. The mitochondrial type II peroxiredoxin F is essential for redox homeostasis and root growth of Arabidopsis thaliana under stress / I. Finkemeier, M. Goodman, P. Lamkemeyer et al. // J. of Biol. Chem. 2005. - V.280. - P. 1216812180.

47. Foyer, C.H. Hydrogen peroxide- and glutathione-associated mechanisms of acclamatory stress tolerance and signaling / C.H. Foyer, H. Lopez-Delgado, J.F. Dat et al. // Physiol. Plantarum. 1997. - V.100. - P.241-254.

48. Foyer, C.H. Oxidant and antioxidant signaling in plants: a re-evaluation of the concept of oxidative stress in a physiological context / C.H. Foyer, G. Noctor // Plant Cell Environ. 2005. -V.28. - P. 1056-1071.

49. Foyer, C.H. Redox homeostasis and antioxidant signaling: a metabolic interface between stress perception and physiological responses / C.H. Foyer, G. Noctor // Plant Cell. -2005. -V.17. -P.1866-1875.

50. Foyer, C.H. Redox regulation in photosynthetic organisms: signaling, acclimation, and practical implications / C.H. Foyer, G. Noctor // Antioxidants and Redox Signaling. 2009. - V.l 1. - P.861-905.

51. Gagliardi, D. Gene expression in higher plant mitochondria / D. Gagliardi, J.M. Gualberto // Plant Mitochondria: from Genome to Function. Eds. Day D.A., Millar A.FI., Whelan J. Kluwer Academic Publishers, 2004. - P.56-81.

52. Garmier, M. Complex I dysfunction redirects cellular and mitochondrial metabolism in Arabidopsis / M. Garmier, A.J. Carroll, E. Delannoy et al. // Plant Physiol.-2008.-V.148.-P.1324-1341.

53. Giege, P. RNA degradation buffers asymmetries of transcription in Arabidopsis mitochondria / P. Giege, M. Hoffman, S. Binder et al. // EMBO Reports. 2000. -V.l. — P. 164-170.

54. Gomez-Casati, D.F. A mitochondrial disfunction induces the expressiuon of nuclear-encoded complex I genes in engeneered male sterile Arabidopsis thaliana / D.F. Gomez-Casati, M.V. Busi, N. Gonzalez-Schain et al. // FEBS Lett. 2002. -V.532. - P.70-74.

55. Halford, N.G. Metabolic signaling and carbon partitioning: role of Snf-related (SnRKl) protein kinase / N.G. Halford, S. Hey, D. Jhurreaa et al. // J. Exp. Bot. -2003. V.54. - P.467-475.

56. Havey, M. Predominant paternal transmission of the mitochondrial genome in cucumber / M. Havey // J. Heredity. 1997. - V.88. - P.232-235.

57. Heazlewood, J.L. Experimental analysis of the Arabidopsis mitochondrial proteome highlights signaling and regulatory components, provides assessment in targeting prediction programs, and indicates plant-specific mitochondrial proteins / J.L.

58. Heazlewood, J.S. Tonti-Filippini, A. Gout et al. // Plant Cell. 2004. - V.16. -P.241-256.

59. Hedtke, B. Inter-organellar crosstalk in higher plants: impaired chloroplast development affects mitochondrial gene and transcript levels / B. Hedtke, I. Wagner, T. Borner // Plant J. 1999. - V.9. - P.635-643.

60. Hernould, M. Impairment of tapetum and mitochondria in engineered male-sterile tobacco plants / M. Hernould, S. Suharsono, E. Zabaleta et al. // Plant Mol. Biol. -1998. V.36. - P.499-508.

61. Hess, W.R. Ribosome-deficient plastids affect transcription of light-indused nuclear genes: genetic evidence for a plastid-derived signal / W.R. Hess, A. Muller, F. Nagy et al. // Mol. Gen. Genet. 1994. - V.242. - P.305-312.

62. Huang, X. Nitric oxide induses transcriptional activation of the nitric oxide-tolerant alternative oxidase in Arabidopsis suspension cells / X. Huang, U. Von Rad, J. Durner // Planta. 2002. - V.215. - P.914-923.

63. Huijser, C. The Arabidopsis sucrose uncoupled-6 gene is identical to abscisic acid insensitive-4: involvement of abscisic acid in sugar responses / C. Huijser, A. Kortstee, J. Pego et al. // Plant J. 2000. - V.23. - P.577-585.

64. Hunt, A.G. Plant cells do not properly recognize animal gene polyadenilation signals / A.G. Hunt, N.M. Chu, J.T. Odell // Plant Mol. Biol. 1987. - V.7. - P.23-25.

65. Hunt, M.D. The NSC3 mutation: genetic evidence for the expression of ribosomal protein genes in Zea mays mitochondria / M.D. Hunt, KJ. Newton // EMBO J. -1991. V.10. -P.1045-1052.

66. Iglio, G.L. The transcription apparatus of chloroplasts / G.L. Iglio, H. Kossel // Crit. Rev. Plant Sci. 1992. - V.10. - P.525-558.

67. Iringer, S. Different sequence elements are required for function of the cauliflower mosaic virus polyadenylation site in Sacharomyces cerevisiae compared with plants

68. S. Iringer, II. Sanfacon, C.M. Egli et al. // Mol. Cell Biol. 1992. - V.12. -P.2322-2330.

69. Jang, J.-C. Hexokinase as a sugar sensor in higher plant / J.-C. Jang, P. Leon, L. Zhou et al. // Plant Cell. 1997. - V.9. - P.5-19.

70. Janska, H. Unusial mitochondrial genome organization in cytoplasmic male sterile common bean and nature of cytoplasmic reversion to fertility / H. Janska, S.A. Mackenzie//Genetics. 1993.-V. 135.-P. 869-879.

71. Jurzczuk, I.M. Alternative oxidase in higher plants / I.M. Jurzczuk, A.M. Rychter // Acta Biochimia Polonica. 2003. - V.50. - P. 1257-1271.

72. Karpinski, S. Photosynthetic electron transport regulates the expression of cytosolic ascorbate peroxidase genes in Arabidopsis during excess light stress / S. Karpinski, C. Escobar, B. Karpinska et al. // Plant Cell. 1997. - V.9. - P.627-640.

73. Karpova, O.V. Differential expression of alternative oxidase genes in maize mitochondrial mutants / O.V. Karpova, E.V. Kuzmin, T.E. Elthon et al. // Plant Cell. 2002. - V. 14. - P.3271-3284.

74. Keetman, U. Kinetics of antioxidative defence responses to photosensitisation in porphyrin-accumulating tobacco plants / U. Keetman, H.P. Mock, B. Grimm // Plant Physiol. Biochem. 2002. - V.40. - P.697-707.

75. Kellogg, E.A. The evolution of nuclear genome structure in seed plants / E.A. Kellogg, J.L. Bennetzen //American J. Bot. -2004. -V.91. P. 1709-1725.

76. Kerk, D. The component of protein phosphatase catalytic subunits encoded in the genome of the Arabidopsis / D. Kerk, J. Bulgrein, D.W. Smith // Plant Physiol. -2002.-V. 129.-P.908-925.

77. Kocsy, G. Role of glutathion in adaptation and signaling during chilling and cold acclimation in plants / G. Kocsy, G. Galiba, C. Brunold // Physiol. Plant. 2001. -V.113. -P.158-164.

78. Konstantinov, Yu.M. Genetic functions of isolated maize mitochondria under model changes of redox conditions / Yu.M. Konstantinov, V.A. Podsosonny, G.N. Lutsenko // Biochem. Mol. Biol. Int. 1995. -V.36. -P.319-326.

79. Korthout, H.A.A.H. The presence and subcellular localization of caspase 3-like proteinases in plant cells / H.A.A.H. Korthout, G. Berecki, W. Bruin et al. // FEBS Lett. 2000. - V.475. - P. 139-144.

80. Kozlov, A.V. Nitrite reductase activity is a novel function of mammalian mitochondria / A.V. Kozlov, K. Staniek, H. Nohl // FEBS Lett. 1999. - V.454. -P.127-130.

81. Kushnir, S. A mutation of the mitochondrial ABC transporter Stal leads to dwarfism and chlorosis in the Arabidopsis mutant starik / S. Kushnir, E. Babiychuk, S. Storozhenko et al. // Plant Cell. 2001. - V.13. - P.89-100.

82. Kuzmin, E.V. Mitochondrial respiratory deficiencies signal up-regulation of genes for heat shock proteins / E.V. Kuzmin, O.V. Karpova, T.E. Elthon et al. // J. Biol. Chem. 2004. - V.79. - P.20672-20677.

83. Lee, B. A mitochondrial complex I defect impairs cold-regulated nuclear gene expression / B. Lee, H. Lee, H. Xiong el al. // Plant Cell. 2002. - V.14. - P. 12351251.

84. Lefebvre, D.D. Fundamentals of gene structure and control / D.D. Lefebvre, K.S. Gellatly // Plant metabolism. Eds. Dennis D.T., Turpin D.H., Lefebvre D.D., Layzell D.B. Addison Wesley Longman Limited, 1997. -P.3-16.

85. Liere, K. Chloroplast endoribonuclease p54 involved in RNA 3'-end processing is regulated by phosphorylation and redox state / K. Liere, G. Link // Nucleic Acids Res. 1997. - V.25. - P.2403-2408.

86. Lind, C. Protein synthesis in mitochondria purified from roots, leaves, and flowers of sugar beet / C. Lind, C. Hallden, I.M. Moller // Physiol. Plant. 1991. - V.83. -P.7-16.

87. Luan, S. Protein tyrosine phosphatases in higher plants / S. Luan, J. Ting, R. Gupta // New Phytol. 2001. - V. 151. - P. 155-164.

88. Ludwig, S.R. Maize R gene family: tissue-specific helix-loop-helix proteins / S.R. Ludwig, S.R. Wessler//Cell. 1990. - V.62. - P. 849-851.

89. Mackenzie, S. Higher plant mitochondria / S. Mackenzie // Plant Cell. 1999. -V.ll.- P.571-585.

90. Maione, T.E. Association of the chloroplastic respiratory and photosynthetic electron transport chains of Chlamydomonas reinhardii with photoreduction and the oxyhydrogen reaction / T.E. Maione, M. Gibbs // Plant Physiol. 1986. - V.80. -P.364-368.

91. Marienfeld, J.R. The maize NSC2 abnormal growth mutant has a chimerick nad4-nad7 mitochondrial gene and is associated with reduced complex 1 function / J.R. Marienfeld, K.J. Newton // Genetics. 1994. - V. 138. - P.855-863.

92. Matsuo, M. Remote control of photosynthetic genes by the mitochondrial respiratory chain / M. Matsuo, J. Obokata // Plant J. 2006. - V.47. - P.873-882.

93. Maxwell, D.P. The alternative oxidase lowers mitochondrial reactive oxygen production in plant cells / D.P. Maxwell, Y. Wang, L. Mcintosh // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999. - V.96. - P.8271-8276.

94. Maxwell, D.P. Evidence of mitochondrial involvement in the transduction of signals required for the induction of genes associated with pathogen attack and senescence / D.P. Maxwell, R. Nickels, L. Mcintosh // Plant J. 2002. - Y.29. -P.269-279.

95. Melo-Oliveira, R. Arabidopsis mutant analysis and gene regulation define a nonredundant role for glutamate dehydrogenase in nitrogen assimilation / R. Melo-Oliveira, I.C. Oliveira, G.M. Coruzzi // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. - Y.93. -P.4718-4723.

96. Milla, M.A.R. Glutatione peroxidase genes in Arabidopsis are ubiquitous and regulated by abiotic stresses through diverse signaling pathways / M.A.R. Milla, A. Marer, A.R. Huete et al. // Plant J. 2003. - Y.36. - P.602-615.

97. Millar, A.H. Nitric oxide inhibits the cytochrome oxidase but not the alternative oxidase of plant mitochondria / A.H. Millar, D.A. Day // FEBS Lett. 1996. -Y.398. - P.155-158.

98. Millar, A.H. Genomic and proteomic analysis of mitochondrial carrierproteins in Arabidopsis / A.H. Millar, J.L. Heazlewood // Plant Physiol. 2003. - V.131. -P.443-453.

99. Millenaar, F.F. Regulation of alternative oxidase activity in six wild monocotyledonous species. An in vivo study at the whole root level / F.F. Millenaar, M.A. Gonzalez-Meier, F. Fiorani et al. // Plant Physiol. 2001. - V.126. -P.376-387.

100. Minagava, N. Possible involvement of superoxide anion in the induction of cyanide-resistant respiration in Hansensida anomala / N. Minagava, S. Koga, M. Nakano et al. // FEBS Lett. 1992. - V.302. - P.217-219.

101. Moller, I.M. Plant mitochondria and oxidative stress: electron transport, NADPH turnover, and methabolism of reactive oxigen species / I.M. Moller // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 2001. - V.52. - P.561-591.

102. Moor, B. Role of the Arabidopsis glucose sensor HXK1 in nutrient, light, and hormonal signaling / B. Moor, L. Zhou, F. Rolland et al. // Science. 2003. -V.300. - P.332-336.

103. Mullet J.E. Molecular biology of photosynthesis in higher plants. // Plant metabolism. Eds. Dennis D.T., Turpin D.H., Lefebvre D.D., Layzell D.B. Addison Wesley Longman Limited, 1997. - P.260-273.

104. Mullineaux, P. Signal transduction in response to excess light: getting out of the chloroplast / P. Mullineaux, S. Karpinski // Curr. Opin. Plant Biol. 2002. - V.5. -P.43-48.

105. Murashige, T. A revised medium for rapid growth and bioassay with tobacco tissue culture / T. Murashige, F. Skoog // Physiol. Plant. 1962. - V.15. - P.473-497.

106. Neill, S. Hydrogen peroxide signaling / S. Neill, R. Desikan, J. Hancock // Curr. Opin. Plant Biol. 2002. - V.5. - P.388-395.

107. Newton, J.K. Maize mitochondria synthesize organ-specific polypeptides / J.K. Newton, V. Walbot // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985. - V.82. - P. 6879-6883.

108. Newton, K.J. An abnormal growth mutant in maize has a defective mitochondrial cytochrome oxidase gene / K.J. Newton, C. Knudsen, J.R. Gabay-Laughnan // Plant Cell. 1990. - V.2. - P. 107-113.

109. Newton, J.K. Maize mitochondria synthesize organ-specific polypeptides / J.K. Newton, V. Walbot // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985. - 82. - P. 6879-6883.

110. Newton, K.J. Evidence for a novel mitochondrial promoter preceding the co%2 gene of perennial Teosintes / K.J. Newton, B. Winberg, K. Yamato et al. // EMBO J. 1995. - V.14. -P.585-593.

111. Newton, K.J. Mitochondrial mutations in plants / K.J. Newton, S. Gabay-Laughnan, R. De Paepe // Plant Mitochondria: from Genome to Function. Eds. Day D.A., Millar A.H., Whelan J. Kluwer Academic Publishers 2004. - P. 122-141.

112. Nivison, H.T. Sequencing, processing, and localization of the petunia CMS-associated mitochondria protein / H.T. Nivison, C.A. Sutton, R.K. Wilson, M.R. Hanson // Plant J. 1994. - Y.5. - P.613-623.

113. Noctor, G. Ascorbate and glutathione: keeping active oxygen under control / G. Noctor, C.H. Foyer // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998. - V.49. -P.249-279.

114. Oswald, O. Plastid redox state and sugars: interactive regulators of nuclear-encoded photosynthetic gene expression / O. Oswald, T. Martin, P.J. Dominy et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. - V.98. - P.2047-2052.

115. Pei, Z.M. Calcium channels activated by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signaling in guard cells / Z.M. Pei, Y. Murata, G. Benning et al. // Nature. -2000.-V.406.-P.731-734.

116. Phannschmidt, T. Chloroplast redox signals: how photosynthesis controls its own genes / T. Phannschmidt // Trends in Plant Science. 2003. - V.8. -P.33-41.

117. Price, A.H. Oxidative signals in tobacco increase cytosolic calcium / A.H. Price, A. Taylor, S.J. Ripley et al. // Plant Cell. 1994. - V.6. - P. 1301-1310.

118. Purneil, M.P. Tobacco isoenzyme 1 of NAD(H)-dependenl glutamate dehydrogenase catabolizes glutamate in vivo / M.P. Purnell, J.R. Botella // Plant Physiol. 2007. - V.143. - P.530-539.

119. Pursiheimo, S. Coregulation of loght-harvesting complex II phosphorylation and Ihcb mRNA accumulation in winter rue / S. Pursiheimo, P. Mulo, E. Rintamaki et al. // Plant J. 2001. - V.26. - P.317-327.

120. Rao, M.V. Jasmonic acid signaling modulates ozone-indused hypersensitive cell death / M.V. Rao, H.I. Lee., R.A. Creelman et al. // Plant Cell. 2000. - V.12. -P.1633-1646.

121. Reichmann, J.L. Arabidopsis transcription factors: genome-wide comparative analysis among eucariotes / J.L. Reichmann, J. Heard, G. Martin et al. // Science. -2000. V.290. - P.2105-2110.

122. Rhoads, D.M. Mitochondrial retrograde regulation in plants / D.M. Rhoads, Ch.C. Subbaiah // Mitochondrion. 2007. -V.l.- P. 177-194.

123. Ribas-Carbo, M. Electron partitioning between the cytochrome and alternative pathways in plant mitochondria / M. Ribas-Carbo, J.A. Berry, D. Yakir et al. // Plant Physiol. 1995. - V.109. - P.829-837.

124. Rice Genome Sequence // Science. 2002. - V.296. - P.13, 32-39, 41-46, 53-56, 79-100.

125. Rikhvanov, E.G. Do mitochondria regulate the heat-shock response in Sacharomyces cerevisiae? / E.G. Rikhvanov, N.N. Varakina, T.M. Rusaleva // Curr. Genet. 2005. - V.48. - P.44-59.

126. Rikhvanov, E.G. Nuclear-mitochondrial cross-talk during heat shock in Arabidopsis cell culture / E.G. Rikhvanov, K.Z. Gamburg, N.N. Varakina et al. // Plant J. 2007. - V.52. - P.763-778.

127. Rook, F. Impaired sucrose-induction mutants reveal the modulation of sugar-inducible starch biosynthetic gene expression by abscisic aced signaling / F. Rook, F. Corke, R. Card et al. // Plant J. 2001. - V.26. - P.421-433.

128. Saisho, D. Characterisation of gene family for alternative oxidase from Arabidopsis thaliana / D. Saisho, E. Nambara, S. Naito et al. // Plant Mol. Biol. -1997. V.35 -P.585-596.

129. Sakamoto, W. Altered mitochondrial gene expression in maternal distorted leaf mutant of Arabidopsis induced by chloroplast mutator / W. Sakamoto, H. Kondo, M. Murata et al. // Plant Cell. 1996. - V.8. - P.1377-1390.

130. Sanders, D. Calcium at the crossroads of signaling / D. Sanders, J. Pelloux, C. Brownlee et al. // Plant Cell. 2002. - V.14. - P.S401-S417.

131. Sasaki, T. The rice genome project in Japan / T. Sasaki // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. - V.95. - P.2027- 2028.

132. Sell, S. Functional dissection of a small anaerobically indused bZIP transcription factor from tomato / S. Sell, R. Hehl // Eur. J. Biochem. 2004. - V.271. - P.4534-4544.

133. Shuster, W. The plant mitochondrial genome: physical structure, information content, RNA editing, and gene migration to the nucleus / W. Shuster, A. Brennicke // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1994. - V.45. - P.61-78.

134. Snyders, S. Disruption of thylakoid-associated kinase 1 leads to alteration of light harvesting in Arabidopsis / S. Snyders, B.D. Kohorn // J. Biol. Chem. 2001. - V.276. - P.32169-32176.

135. Stewart, C.R. Respiration and alternative oxidase in corn seedling tissues during germination at different temperatures / C.R. Stewart, A. Barry, B.A. Martin et al. // Plant Physiol. 1990. - V.92. - P.755-760.

136. Stewart, C.R. Seedling growth, mitochondrial characteristics, and alternative respiratory capacity of corn genotypes differing in cold tolerance / C.R. Stewart, A. Barry, B.A. Martin et al. // Plant Physiol. 1990. - V.92. - P.761-766.

137. Struglics, A. Protein phosphorylation/dephosphorylation in the inner membrane of potato tuber mitochondria / A. Struglics, K.M. Fredlund, Y.M. Konstantinov et al. // FEBS Lett. 2000. - V.475. - P.213-217.

138. Subbaiah, C.C. Elevation of cytosolic calcium precedes anoxia gene expression in maize suspension-cultured cells / C.C. Subbaiah, D.S. Bush, M.M. Sach // Plant Cell. 1994,-V.6.-P.1747-1762.

139. Subbaiah, C.C Involvement of intracellular calcium in anaerobic gene expression and survival of maize seedlings / C.C. Subbaiah, J. Zhang, M.M. Sach // Plant Physiol. 1994. - V.105. - P.369-376.

140. Subbaiah, C.C. Mitochondrial contribution to the anoxic Ca+ signal suspension cultured cells / C.C. Subbaiah, D.S. Bush, M.M. Sach // Plant Physiol. 1998. -V.118.-P.759-771.

141. Sullivan, J.A. Multiple plastid signals regulate the expression of the pea plastocyanin gene in pea and transgenic tobacco plants / J.A. Sullivan, J.C. Gray // Plant J. 2002. - V.32. - P.763-774.

142. Sun, Y. Redox regulation of transcriptional activators / Y. Sun, L.W. Oberley // FreeRad. Biol. Med. 1996. - V.21. -P.335-348.

143. Surpin, M. Signal transduction between the chloroplast and the nucleus / M. Surpin, R. Larkin, J. Chory // Plant Cell. 2002. - V.14. - P.327-338.

144. Susek, R.E. Signal transduction mutants of Arabidopsis uncouple nuclear CAB and RBCS gene expression from chloroplast development / R.E. Susek, F.M. Ausubel, J. Chory // Cell. 1993. - V.74. - P.787-799.

145. Takahashi, Y. Spermine signaling in tobacco: activation of mitogen-activated protein kinases by spermine is mediated through mitochondrial dysfunction / Y. Takahashi, T. Berberich, A. Miyazaki et al. // Plant J. 2003. - V.36. - P.820-829.

146. The Arabidopsis genome initiative // Nature. 2000. - V.408. - P.791-826.

147. Topping, J.F. Mitochondrial gene expression during wheat leaf development / J.F. Topping, C.J. Leaver // Planta. 1990. - V.182. - P.399-407.

148. Tron, A.E. Redox regulation of plant homeodomain transcription factors / A.E. Tron, C.W. Bertoncini, R.L. Chan et al. // J. Biol. Chem. 2002. - V.277. -P.34800-34807.

149. Umbach, A.L. Characterization of transformed Arabidopsis with altered alternative oxidase levels and analysis of effects on reactive oxygen species in tissue / A.L. Umbach, F. Fiorani, J.N. Sicdow // Plant Physiol. 2005. - V.139. - P.1806-1820.

150. Van Breusegem, F. The role of active oxygen species in plant signal transduction / F. Van Breusegem, E. Vranova, J.F. Dat et al. // Plant Sci. 2001. - V. 161. - P. 405-414.

151. Vanlerberghe, G.C. Coordinate regulation of cytochrome and alternative pathway respiration in tobacco / G.C. Vanlerberghe, L. Mcintosh // Plant Physiol. -1992. V.100. - P.1846-1852.

152. Vanlerberghe, G.C. Mitochondrial electron transport regulation of nuclear gene expression / G.C. Vanlerberghe, L. Mcintosh // Plant Physiol. 1994. - V.105. -P.867-874.

153. Vanlerberghe, G.C. Signals regulating the expression of the nuclear genes encoding alternative oxidase of plant mitochondria / G.C. Vanlerberghe, L. Mcintosh // Plant Physiol. V. 1996. -111.- P.589-595.

154. Vervoed, T.C. A small-scale procedure for rapid isolation of plant RNAs / T.C. Vervoed, B.M. Dekker, A. Hoekema // Nucleic Acids Res. 1989. - V.17. -P.2362.

155. Wagner, A.M. A role for active oxygene species as second messengers in the induction of alternative oxidase gene expression in Petunia hybrida cells / A.M. Wagner // FEBS Lett. 1995. - V.368. - P.339-342.

156. Wilson, S.B. Redox control of RNA synthesis in potato mitochondria / S.B. Wilson, G.S. Davidson, L.M. Thomas et al. // Eur. J. Biochem. 1996. - V.242. -P.81-85.

157. Wissinger, B. Regenerating good sense: RNA editing and trans splising in plant mitochondria / B. Wissinger, A. Brennicke, W. Schuster // Trends Genet. 1992. -V.8. - P.322-328.

158. Yabuta, Y. Two distinct redox signalling pathways for cytosolic APX induction under photo-oxidative stress / Y. Yabuta, T. Murata, K. Yoshimura et al. // Plant Cell Physiol. 2004. - V.45. - P. 1586-1594.

159. Yamamoto, Y. Aluminium toxicity is associated with mitochondrial disfunction and the production of reactive oxygen species in plant cell / Y. Yamamoto, Y. Kobayashi, S.R. Devi et al. // Plant Physiol. 2002. - 128. - P.63-72.

160. Yu, J. A genome approach to mitochondrial-nuclear communication in Arabidopsis / J. Yu, R. Nickels, L. Mcintosh // Plant Physiol. Biochem. 2001. -V.39. - P.345-353.

161. Zabala, G. The nuclear gene Rf3 affects the expression of the mitochondrion chimeric sequence R implicated in S-type male sterility in maize / G. Zabala, S. Gabay-Laughman, J.R. Laughman // Genetics. 1997. - V.147. - P.847-860.

Информация о работе

Гарник, Елена Юрьевна
кандидата биологических наук
Иркутск, 2009
ВАК 03.00.12

Диссертация

Изучение роли редокс-сигналинга в регуляции экспрессии митохондриальных и ядерных генов растений - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы