Температурный сенсор

Когда клетки организмов подвергаются воздействию низких температур, липиды их мембран становятся более вязкими, однако эти организмы способны увеличивать текучесть мембран посредством образования двойных связей (десатурации) жирных кислот мембранных липидов. Гипотеза о восприятии сигналов о снижении температуры демонстрируется на представленной ниже блок-схеме.

При снижении температуры уменьшается текучесть мембран, что воспринимается мембраносвязанным сенсором. Сигнал об изменении температуры передается через гипотетические переносчики к промоторам генов десатураз. Вследствие этого индуцируется экспрессия этих генов, что приводит к усиленному синтезу десатураз в клетке и к ускорению синтеза полиненасыщенных ЖК в мембранных липидах. В конечном итоге восстанавливаются исходная текучесть мембран и физиологическая активность связанных с ними ферментных систем.

Эта гипотеза была экспериментально подтверждена на клетках цианобактерии Synechocystis (далее Synechocystis), которая имеет четыре гена, кодирующие различные десатуразы жирных кислот:

ü desC (Δ9-десатураза),

ü desA (Δ 12-десатураза),

ü desB (ωЗ-десатураза),

ü desD (Δ6-десатураза).

Среди этих четырех генов три (desA, desB и desD) индуцируются низкими температурами. Было установлено, что индукция генов десатураз зависит не от абсолютной температуры, а от разницы температур преадаптации и индукции. Так, если клетки выращивали при пониженных температурах, то они характеризовались повышенным содержанием полиненасыщенных жирных кислот и индукция генов десатураз наблюдалась при более низких температурах, чем в клетках, выращенных в нормальных температурных условиях.

Роль текучести мембран в регуляции экспрессии генов десатураз была показана в опытах с прямым насыщением водородом двойных связей между атомами углерода в жирных кислотах мембранных липидов (гидрогенизация), проводимой при нормальной температуре. Таким способом текучесть цитоплазматической мембраны была снижена при нормальной температуре роста клеток in vivo. Гидрогенизация привела к активации транскрипции гена desA, причем степень активации была идентичной той, которая наблюдалась при снижении температуры (рис. 4). Поскольку и каталитическая гидрогенизация при нормальной температуре и снижение температуры окружающей среды приводили к снижению текучести мембран и активации экспрессии гена десатуразы, вероятно, что изменение температуры воспринимается клеткой за счет изменения текучести цитоплазматической мембраны, в результате чего в клетке возникает сигнал, приводящий к активации экспрессии генов десатураз.

Рис. 4. Виляние снижения температуры и гидрогенизации липидов мембран на экспрессию гена desA, кодирующего десатуразу.

Вероятно также, что сенсор этих изменений локализован в цитоплазматической мембране. При изменении физических свойств мембраны сенсорный белок в мембране может менять конформацию и/или проходить через циклы фосфорилирования-дефосфорилирования в качестве первичных событий при передаче внутрь клетки сигнала об изменении температуры. Исследователи предположили, что сенсорный белок, локализованный в мембране и запускающий экспрессию генов десатураз, может обладать свойствами гистидин-киназы как в случае некоторых описанных выше осмосенсоров (KdpD и EnvZ) или хемосенсоров, обнаруженных в Е. coli и других организмах.

Для выяснения возможной природы температурного сенсора в клетках штамма Synechocystis была проведена систематическая инактивация генов, кодирующих гипотетические сенсорные гистидин-киназы (всего 43 гена).

Таким способом были идентифицированы две гистидин-киназы, инактивация которых приводила к утрате низкотемпературной индукции промотора гена десатуразы: мембраносвязанная Hik33, растворимая Hik19.

Кодируемый геном hik33 белок Hik33 имеет (рис. 5):

Ø консервативный гистидин-киназный домен на карбоксильном конце (С-конец),

Ø два трансмембранных домена в амино-концевом участке (N-конец молекулы),

Ø специфический линкер (последовательность аминокислот, связывающая разные функциональные участки молекулы белка),

Ø "лейциновую молнию" (последовательность аминокислот, состоящая в основном из остатков лейцина) в середине полипептидной последовательности белка,

Ø так называемый PAS-домен (сигнальная консервативная последовательность аминокислот, встречающаяся во всех группах организмов и отвечающая за восприятие изменений в освещенности, концентрации некоторых молекул и общего энергетического баланса клетки).

Рис. 5. Схематическое изображение доменов Hik33

Специфический линкер характерен для множества эукариотических сенсорных белков. Он расположен обычно между участком белка, отвечающим за восприятие сигнала, и протеинкиназой, которую принятый сигнал активирует. Предполагается, что уплотнение мембраны при снижении температуры приводит к сближению димеров Hik33, что ведет к изменению конформации линкерных участков, сопровождающемуся активацией гистидин-киназы и автофосфорилированием Hik33 (рис. 6).

Рис. 6. Гипотетическая схема активации температурного сенсора – гистидин-киназы Hik33 – возможный механизм активации Hik33.

При нормальной температуре димер Hik33 находится в неактивной форме. При снижении температуры текучесть мембран уменьшается и за счет сближения молекул липидов происходит сближение трансмембранных доменов Hik33 (показано стрелками). Это приводит к конформационным изменениям на участке белка, соответствующего линкеру. В результате происходит автофосфорилирование сенсорного белка. Далее фосфатная группа передается на белок – регулятор ответа.

Дата добавления: 2015-07-08