В геноме пырея путем биоинформатического анализа нашли 154 гена антимикробных пептидов
Новость по статье, получившей специальную поощрительную премию за лучшую экспериментальную статью в области молекулярных механизмов иммунитета, опубликованную в журналах «Генетика» и «Успехи современной биологии» в 2024 годуИсследователи из лаборатории молекулярно-генетических основ иммунитета растений Института общей генетики РАН обнаружили и описали гены антимикробных и сигнальных пептидов у пырея удлиненного (Thinopyrum elongatum). Это дикорастущий злак семейства мятликовые, который отличается высокой устойчивостью к разнообразным патогенам, а также низким температурам, засоленности почвы, засухе. Устойчивость пырея к биотическим и абиотическим факторам среды делает его уникальным объектом в качестве донора устойчивости с использованием классических методов при селекции пшеницы. Гены антимикробных пептидов (АМП) у пырея удлиненного до сих пор не были изучены. В данной работе эта задача была решена in silico, путем биоинформатического анализа. Результаты исследования опубликованы в журнале Генетика и в его англоязычной версии Russian Journal of Genetics.
Иммунная система растений работает на двух уровнях. Первый, базовый уровень обеспечивает система защиты от неспециализированных патогенов (PTI), она активируется при узнавании рецепторами растительной клетки эволюционно консервативных структур патогена. Второй уровень – защита от специализированных патогенов, ее обеспечивает система (ETI) в ответ на узнавание факторов вирулентности патогена. Но и та, и другая система при встрече с патогеном приводит к сходным защитным процессам, одним из которых является синтез АМП. Антимикробные пептиды непосредственно взаимодействуют с патогенами и подавляют их рост. Состав АМП разнообразен в пределах одного вида растений, и механизмы их действия также разнообразны. Помимо АМП к группе защитных пептидов относятся регуляторные пептиды – они участвуют в сигнальных путях, координируя взаимодействия растений с патогенными и непатогенными микроорганизмами, а также стрессовыми факторами среды.
Наиболее многочисленную группу АМП составляют пептиды, обогащенные остатками аминокислоты цистеина (цистеин-богатые пептиды, ЦБП). Их объединяет общее строение: белок-предшественник, кодируемый геном, состоит из сигнального пептида и зрелого пептида, который обогащен остатками цистеина (4−16) и обладает антимикробной активностью.
Методы полногеномного секвенирования и биоинформатики открывают возможности поиска генов ЦБП in silico в геномных и транскриптомных данных. Для анализа ученые использовали последнюю версию секвенированного генома Th. elongatum D-3458 (GenBank GCA_011799875.1). Поиск генов АМП и регуляторных пептидов проводили с использованием собственного разработанного алгоритма поиска по цистеиновым мотивам. В результате в геноме пырея нашли 154 гена АМП и регуляторных пептидов, связанных с защитными функциями. В ряде генов были обнаружены интроны. Также была определена структура предшественников пептидов и предсказаны антимикробные свойства пептидов.
Выявленные пептиды относятся к 9 семействам. В геноме пырея обнаружено 39 генов, которые кодируют предшественники пептидов дефензинов. Это универсальные защитные пептиды, найденные у всех многоклеточных. Считается, что дефензины растений участвуют в защите от грибных и бактериальных патогенов, используя разные механизмы – нарушение проницаемости мембран, ингибирование ионных каналов и подавление активности ферментов. 10 генов пырея кодируют предшественники пептидов снакинов, специфичных для растений цистеин-богатых АМП. Снакины эффективно подавляют рост бактерий и грибов, а также участвуют в различных физиологических процессах. Также, у пырея обнаружен один ген предшественника гевеиноподобного пептида, который по аминокислотной последовательности совпадает с таковым пшеницы T. kiharae, обладающим антифугальными и антибактериальными свойствами. А также один ген предшественника тионина, сходного с пептидом пшеницы T. aestivum. Самым многочисленным семейством генов АМП у пырея являются неспецифические липид-переносящие белки (LTP), всего было обнаружено 78 генов. Как и тионины, LTPs выявлены только у растений. АМП помимо защитных свойств выполняют и другие функции в растениях. Более того, было выявлено 10 генов предшественников пептидов RALF, выполняющих регуляторную функцию при PTI; три гена предшественников пептидов MEG; а также три гена предшественников пептидов Ole e 1, чья роль в защите изучена слабо. Обнаружено также новое семейство генов пептидов CRP с ранее неизвестным 6-Цис-мотивом, функции которых еще предстоит изучить.
Поиск сходных последовательностей с помощью программ BLAST показал, что пептиды пырея обладают максимальным сходством с пептидами растений семейства мятликовые, прежде всего относящихся к родам Triticum (пшеница) и Aegilops (эгилопс, ближайший родственник пшеницы).
Авторы изучили распределение генов разных семейств пептидов по хромосомам пырея и картировали их; обнаружилось, что для многих хромосом генами пептидов обогащены области, примыкающие к теломерным районам. Иногда гены пептидов одного семейства образуют кластеры, что указывает на возможное их образование в результате тандемных дупликаций.
Таким образом, авторам удалось найти in silico в геноме пырея комплекс генов защитных пептидов, которые обеспечивают его устойчивость к патогенам. Это, с одной стороны, интересно для характеристики молекулярных компонентов иммунной системы пырея, а с другой стороны, необходимо для научно обоснованного использования Th. еlongatum в качестве донора устойчивости пшеницы. Что актуально, так как ежегодно около 20% урожая пшеницы теряется из-за болезней, плюс случаются засухи, засоленность почвы и загрязнение тяжелыми металлами.
Дальнейшие исследования биологической активности обнаруженных пептидов с использованием трансгенных технологий и тестирования in vitro позволят понять их роль в защите от стресса, а также в других физиологических процессах.
Источник:
Слезина М.П., Истомина Е.А., Шиян А.Н., Одинцова Т.И. ГЕНЫ ЦИСТЕИН-БОГАТЫХ ПЕПТИДОВ ПЫРЕЯ Thinopyrum elongatum // Генетика. – 2024. – Т. 60. – № 10. – С. 56–70. DOI: 10.31857/S0016675824100055