docczy istnieje roślinny homolog zwierzęcego peptydu natriuretycznego?
download 
Reklamacja Transkrypt
czy istnieje roślinny homolog zwierzęcego peptydu natriuretycznego?
ROLINNY HOMOLOG ZWIERZÊCEGO ANP POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI 449 TOM 32 2005 NR 3 (449462) CZY ISTNIEJE ROLINNY HOMOLOG ZWIERZÊCEGO PEPTYDU NATRIURETYCZNEGO? DOES ANY HOMOLOG OF THE ANIMAL ANP EXIST IN THE PLANTS? 1 1 Sylwia WROTEK, 2Gra¿yna D¥BROWSKA, 3Andrzej TRETYN Zak³ad Immunologii, 2Pracownia Genetyki i 3Zak³ad Biotechnologii Rolin Uniwersytetu Miko³aja Kopernika w Toruniu Streszczenie: W latach dziewiêædziesi¹tych XX wieku opublikowano szereg prac sugeruj¹cych istnienie u rolin bia³ek homologicznych do zwierzêcych peptydów natriuretycznych (NP). Przeprowadzono wiele dowiadczeñ wykazuj¹c m.in. ró¿norodny wp³yw egzogennie podawanego przedsionkowego peptydu natriuretycznego (ANP) na metabolizm oraz wzrost i rozwój rolin. Badano tak¿e aktywnoæ rolinnego immunohomologu ANP. Mimo to do tej pory nie opisano rolinnej sekwencji bia³kowej ani nukleotydowej, która w istotnym stopniu by³aby podobna do zwierzêcych NP. Z tego powodu na obecnym poziomie wiedzy nie mo¿na potwierdziæ istnienia rolinnych homologów zwierzêcych peptydów natriuretycznych oraz koduj¹cych je genów. S³owa kluczowe: zwierzêce peptydy natriuretyczne (NP), receptory peptydów natriuretycznych, rolinne homologi peptydów natriuretycznych, ekspansyny. Summary: In 1990s papers have been published suggesting the existence of an animal atrial natriuretic peptide (ANP) homologues in plant organisms. Multiple influence of egzogenic atrial natriuretic peptide into plant metabolism, growth and development has been showed. Plant ANP immunohomologues has been studied as well. However, the plant nucleotide or aminoacid sequence similar to the animal NP have not yet been published. The existence of plant NP homologues to the animal natriuretic peptides and genes encoding them was not established. Key words: animal natriuretic peptides, receptors of natriuretic peptides, plant homologues of natriuretic peptides, expansins. WSTÊP Przez wiele lat uwa¿ano, i¿ rozwojem rolin, regulacj¹ wzrostu oraz ich fizjologiczn¹ odpowiedzi¹ na zmiany zachodz¹ce w rodowisku kieruj¹ tylko hormony rolinne [40]. Pogl¹d ten zweryfikowano w latach dziewiêædziesi¹tych, kiedy poznano funkcje i 450 S. WROTEK, G. D¥BROWSKA, A. TRETYN w³aciwoci takich cz¹steczek, jak: glukoza, kwas jasmonowy i salicylowy oraz brasinosteroidy, nodulina, systemina, fitosulfokiny [30, 53]. Wyniki badañ przeprowadzonych w latach dzieiwêædziesi¹tych sugeruj¹, i¿ peptydy natriuretyczne zaanga¿owane u zwierz¹t w regulacjê bilansu wodnego i sodowo-potasowego mog¹ równie¿ odgrywaæ podobn¹ rolê u rolin. Pierwszych argumentów popieraj¹cych tê hipotezê dostarczy³y prace Veselya i Giordano, na liciach i pêdzie Dracena godseffiana przy u¿yciu przeciwcia³ skierowanych do szczurzego przedsionkowego peptydu natriuretycznego [56]. Zidentyfikowanie ANP u rolin otworzy³oby nieograniczone mo¿liwoci farmakologicznego wykorzystania jego jako leku obni¿aj¹cego cinienie krwi. RODZINA ZWIERZÊCYCH PEPTYDÓW NATRIURETYCZNYCH Ponad 20 lat temu de Bold odkry³ peptyd natriuretyczny produkowany w sercu szczura [11]. Pocz¹tkowo zidentyfikowano i badano ANP przedsionkowy peptyd natriuretyczny i BNP mózgowy peptyd natriuretyczny [34]. Nastêpnie wyizolowano z mózgu peptyd natriuretyczny typu C CNP [47], z aorty wêgorza i pstr¹ga VNP tzw. komorowy peptyd natriuretyczny [51] oraz DNP z jadu zielonej mamby [44]. Ponadto bia³ka reaguj¹ce z przeciwcia³ami do ANP wykryto u limaka [41], kraba [55], ostrygi [59], pantofelka [57]. Do rodziny bia³ek o w³aciwociach natriuretycznych nale¿¹ tak¿e: urodylatyna produkowana w komórkach oko³ocewkowych [10], uroguanylina produkowana w luzówce jelit [16] oraz limfoguanylina produkowana w nerkach, miêniu sercowym i uk³adzie immunologicznym [12]. ANP NAJLEPIEJ POZNANYM PRZEDSTAWICIELEM RODZINY PEPTYDÓW NATRIURETYCZNYCH Gen koduj¹cy ludzkie ANP znajduje siê na I chromosomie w po³o¿eniu 36,21 cM. Gen ten sk³ada siê z trzech egzonów i dwóch intronów, a jego d³ugoæ wynosi 1786 nukleotydów. Fizjologicznie aktywne ANP jest produktem trzeciego egzonu (1.061 1.141) [NCBI, gi 178635]. Prepro-ANP jest 152-aminokwasowym bia³kiem magazynowanym w przedsionku serca. Przy udziale proteazy sygna³owej odcinana jest 24-aminokwasowa sekwencja sygna³owa z N-koñca, a nastêpnie usuniête zostaj¹ 2 argininy z C-koñca probia³ka (ryc. 1). Przed sekrecj¹ peptyd ten ulega ograniczonej proteolizie na 2 cz¹steczki: fragment N-koñcowy (199aa) (aa reszty aminokwasowe) i C-koñcowy (99-126aa) [52]. Aktywn¹ biologicznie czêci¹ C-koñca jest 17-aminokwasowy fragment zawarty pomiêdzy dwiema cysteinami (7 i 23 aa) po³¹czonymi mostkami dwusiarczkowymi. W obrêbie tej piercieniowej struktury znajduj¹ siê trzy konserwatywne sekwencje aminokwasowe: CFG-DRI-SGLGC [52]. Zniszczenie trójwymiarowej konformacji przez zerwanie mostków dwusiarczkowych powoduje zanik aktywnoci omawianego peptydu [32]. Dalsza proteoliza fragmentu N-koñcowego pozwala ROLINNY HOMOLOG ZWIERZÊCEGO ANP 451 uzyskaæ kilka mniejszych fragmentów, z których czêæ mo¿e równie¿ pe³niæ funkcje biologiczne (ryc. 1). Sugeruje siê, ¿e: ♦ ANP (1-30aa) bierze udzia³ w d³ugotrwa³ej stymulacji wydzielania sodu z organizmu, ♦ ANP (31-67aa) wp³ywa na rozszerzanie naczyñ krwiononych (tzw. wazodyla-tor), ♦ ANP (79-98aa) jako tzw. bia³ko kaliuretyczne reguluje gospodarkê potasow¹ [60]. ANP jest konserwatywny wród wszystkich gatunków ssaków. Natomiast homologia pomiêdzy ró¿nymi grupami krêgowców jest raczej niska i wynosi oko³o 50%. Podobieñstwo N-koñca, tj. ANP 1-98aa cz³owieka i ANP 1-94aa ³ososia wynosi tylko 20%. Z kolei C-koniec (ANP 99-126aa) jest bardziej konserwatywny u cz³owieka i ³ososia ich podobieñstwo wynosi 63%. BNP jest wysoce zmiennym peptydem nawet wród gatunków ssaków. Natomiast za peptyd, który w najmniejszym stopniu podlega³ zmianom podczas ewolucji, przyjmuje siê CNP [52]. BUDOWA RECEPTORÓW PEPTYDÓW NATRIURETYCZNYCH RYCINA 1. Synteza przedsionkowego peptydu natriuretycznego (ANP), dok³adny opis w tekcie 452 S. WROTEK, G. D¥BROWSKA, A. TRETYN Wszystkie receptory peptydów natriuretycznych zbudowane s¹ z pojedynczego polipeptydu zawieraj¹cego domeny: zewn¹trzkomórkow¹ (N-koñcow¹) o d³ugoci 440 aminokwasów, transb³onow¹ i cytoplazmatyczn¹ (C-koñcow¹) (ryc. 2) Receptory peptydów natriuretycznych mo¿na podzieliæ na 2 typy: o domenie cytoplazmatycznej maj¹cej d³ugoæ 530 aminokwasów oraz o domenie cytoplazmatycznej d³ugoci 37 aminokwasów. W domenie cytoplazmatycznej receptorów pierwszego typu mo¿na wyró¿niæ sekwencje homologiczne do kinazy tyrozynowej (o d³ugoci 280 aminokwasów) i cyklazy guanylowej (o d³ugoci 250 aminokwasów). Tak¹ budowê maj¹ receptory: NPR-A (ang. natriuretic peptide receptor type A) wykazuj¹cy du¿e powinowactwo do ANP, BNP i VNP oraz NPR-B wykazuj¹cy powinowactwo do CNP i VNP [1, RYCINA 2. Budowa receptorów peptydów natriuretycznych ROLINNY HOMOLOG ZWIERZÊCEGO ANP 453 22]. Przy³¹czenie powy¿szych ligandów do receptorów prowadzi do konwersji GTP w cGMP [27]. Natomiast receptory NPR-C [25] i niedawno odkryty NPR-D, których domena cytozolowa ma 37 aminokwasów (brak tu domeny cyklazy guanylowej i kinazy tyrozynowej) prawdopodobnie oddzia³uj¹ z cyklaz¹ adenylanow¹ [52, 54]. NPR-C wykazuje powinowactwo do wszystkich peptydów natriuretycznych i uwa¿a siê, ¿e jest jednym z czynników zmniejszaj¹cych stê¿enie ANP we krwi [27]. NPR-D znaleziony zosta³ jedynie u wêgorza (Anquilla japonica) [52]. Receptory zwi¹zane z cyklaz¹ guanylow¹ w warunkach nieredukuj¹cych wystêpuj¹ jako tetrametry. NPR-C niemaj¹cy domeny cyklazy guanylowej jest w tych warunkach dimerem, za NPR-D równie¿ bez domeny cyklazy guanylowej jest teramerem podobnie jak NPR-A i NPR-B [9, 52]. FUNKCJE ANP U ZWIERZ¥T U zwierz¹t krêgowych w sercu zlokalizowane s¹ baroreceptory (presoreceptory) wra¿liwe na rozci¹ganie cian naczyñ krwiononych. Pocz¹tkowo s¹dzono, ¿e regulacja cinienia krwi zachodzi jedynie dziêki przekazywaniu nerwami bodców z baroreceptorów do orodkowego uk³adu nerwowego. Obecnie wiadomo, ¿e prawy przedsionek serca na skutek rozci¹gania wydziela hormon ANP. Jego natriuretyczne i diuretyczne dzia³anie mo¿liwe jest dziêki wspó³pracy serca, mózgu i nerek. Wydzielanie ANP do krwiobiegu powoduje inhibicjê wch³aniania wody i sodu przez jelito oraz stymulacjê wydalania ich nadmiaru przez nerki. Jednoczenie ANP wp³ywa na wydzielanie wazopresyny i aldosteronu [42]. Hormony te pobudzaj¹c lub hamuj¹c aktywnoæ nerek, reguluj¹ zale¿nie od potrzeby organizmu bilans wody i jonów. Wynikiem tego jest obni¿enie cinienia krwi w uk³adzie krwiononym i powrót organizmu do homeostazy [52]. ANP powoduje równie¿ hamowanie aktywnoci kana³ów sodowych w rdzeniu nerek ssaków [63], a tak¿e dezaktywacjê Na+/K+ -ATPazy [4]. Hormon ten dzia³a [36] w ró¿nych typach komórek oraz wspomaga wydalanie potasu [23]. Inn¹ funkcj¹ ANP jest aktywacja kana³ów potasowych zale¿nych od wapnia przez zwiêkszenie wydzielania cGMP [46]. Wyniki badañ zespo³u Patila wykazuj¹ równie¿ bezporedni¹ stymulacjê akwaporyn (kana³ów wodnych) [35]. Wzrost stê¿enia ANP w osoczu wp³ywa na: wydzielanie aldosteronu, resorpcjê sodu w kanalikach nerkowych oraz wzrost komórek naczyniowych [2, 17, 18, 19]. Badania na myszach dowiod³y, ¿e nadekspresja genu ANP powoduje obni¿enie cinienia krwi [45]. Natomiast mutant mysi typu knockout (pozbawiony genu ANP) charakteryzowa³ siê wy¿szym cinieniem ni¿ mysz typu dzikiego [20]. U ryb ANP pe³ni g³ównie funkcje hormonu odpowiedzialnego za wydzielanie sodu. Redukuje pragnienie i zmniejsza absorpcjê sodu przez jelito wêgorza ¿yj¹cego w wodzie s³odkiej [52]. Stosuj¹c techniki autoradiograficzne i hybrydyzacjê in situ wykazano, ¿e peptydy natriuretyczne i ich receptory wystêpuj¹ licznie w mózgu, a szczególnie w regionie podwzgórza [6, 21]. Lokalizacja ta wiadczy o udziale peptydów natriuretycznych w kontroli homeostazy p³ynów regulowanej przez orodkowy uk³ad nerwowy. W badaniach 454 S. WROTEK, G. D¥BROWSKA, A. TRETYN na szczurach wykazano, ¿e peptydy natriuretyczne hamuj¹ dzia³anie wazopresyny argininowej uwalnianej w podwzgórzu [43] i redukuj¹ pragnienie stymulowane angiotensyn¹ II [3]. ROLINNE PEPTYDY NATRIURETYCZNE Pierwsze sugestie o mo¿liwoci wystêpowania peptydów natriuretycznych u rolin pochodz¹ z pracy Vesely i Giordano (1991). Stosuj¹c przeciwcia³a skierowane przeciwko poszczególnym fragmentom ludzkiego ANP (1-30, 31-67, 79-98aa) odkryto obecnoæ immunohomologów w ³odygach i liciach draceny (Dracaena godseffiana) [56]. Zastosowanie chromatografii immunopowinowactwa, doprowadzi³o do wyizolowania trzech fragmentów prohormonu ANP homologicznych do: N-koñca proANP (1-98aa); fragmentu rodkowego proANP (31-67aa) oraz C-koñcowego proANP (99-126aa). Porównywano stê¿enie poszczególnych fragmentów w wyizolowanych bia³kach z lici i ³odyg draceny (Dracaena godseffiana) z bia³kami uzyskanymi z przedsionka serca i ¿y³ szczura wêdrownego (Rattus norvegicus). Najwy¿sz¹ zawartoæ ANP (190240 ng/g) stwierdzono w szczurzym przedsionku serca. Najni¿sze stê¿enie hormonu ANP zaobserwowano w ekstrakcie otrzymanym z ¿y³ 4,05,8 ng/g. Natomiast w liciach draceny stê¿enie wynosi³o 120150 ng/g, a w pêdzie 96140 ng/g. Na podstawie tych wyników Vesely i wspó³pracownicy stwierdzili, i¿ u rolin zachodzi synteza peptydów homologicznych do zwierzêcego ANP. Badacze ci zasugerowali, ¿e obecnoæ peptydów natriuretycznych w liciach i pêdzie mo¿e wiadczyæ o ich udziale w d³ugodystansowym transporcie soli mineralnych [56]. Vesely i wsp. (1993) opublikowali listê gatunków, u których wykryto poszczególne immunohomologi ANP. Wród tych organizmów znalaz³y siê m.in.: euglena (Euglena sp.), bodziszek (Geranium), ró¿a (Rosa) i sosna (Pinus silvestris). Ponadto autorzy ci stosuj¹c wysokosprawn¹ chromatografiê ¿elow¹ (HPGPC) wykazali, ¿e propeptydy i peptydy natriuretyczne z draceny (Dracena godseffiana) maj¹ podobne masy cz¹steczkowe do peptydów natriuretycznych z krêgowców. Ci sami autorzy stwierdzili równie¿, ¿e egzogennie podane fragmenty z ludzkiego ANP wp³ywaj¹ na poziom transpiracji u rolin [58]. Gehring i wsp. [13] odkryli, ¿e syntetyczny szczurzy ANP indukuje otwieranie aparatów szparkowych u trzykrotki (Tradescantia sp.). Ponadto w b³onie komórkowej lici i pêdów zlokalizowano specyficzne miejsca wi¹zania znakowanego, szczurzego ANP [13, 49]. W 1998 Pharmawati i wspó³pracownicy wykazali, ¿e szczurzy rANP (ang. Rat ANP) dzia³a na aparaty szparkowe tylko wtedy, gdy ma budowê piercieniow¹. Przeprowadzenie S-karboksymetylacji powoduje powstanie liniowej cz¹steczki peptydu i zahamowanie jego aktywnoci [37, 38]. Stwierdzono te¿, ¿e dzia³anie rANP jest hamowane w obecnoci inhibitorów cyklazy guanylowej, takich jak: LY 83583 (6-anilino5,8-quinolinequinone) i b³êkitu metylenowego. Natomiast analog cGMP (8-Br-cGMP) naladuje wp³yw rANP [37, 38]. ROLINNY HOMOLOG ZWIERZÊCEGO ANP 455 W 1997 roku Bilington i wspó³pracownicy wyizolowali i oczycili rolinny immunohomolog ANP. Od tego czasu rozpoczê³y siê badania maj¹ce na celu poznanie funkcji rolinnego peptydu. Ustalono, ¿e oczyszczony immunohomolog z bluszczu (Hedera helix) indukuje otwieranie aparatów szparkowych [5]. Pharmawati i wspó³pracownicy wykazali, ¿e immunoreaktywny, rolinny peptyd natriuretyczny powoduje wzrost cGMP w rdzeniu korzenia kukurydzy (Zea mays). Ustalili tak¿e, ¿e LY83583 (inhibitor rozpuszczalnej cyklazy guanylowej) nie zawsze hamowa³ powstawanie cGMP. Na tej podstawie stwierdzili, ¿e u rolin podobnie jak u zwierz¹t w dzia³aniu peptydów natriuretycznych musi poredniczyæ zwi¹zana cyklaza guanylowa. Sugeruje to obecnoæ w tkankach rolin receptorów peptydów natriuretycznych, zawieraj¹cych domeny cyklazy guanylowej [37, 39]. Stwierdzono tak¿e, ¿e S-karboksymetylacja jest reakcj¹ odpowiadaj¹c¹ za dezaktywacjê peptydu. Liniowa postaæ cz¹steczki nie wykazuje zdolnoci do otwierania aparatów szparkowych [37]. Suwastica i Ghering (1998) stosuj¹c technikê magnetycznego rezonansu j¹drowego (NMR) zbadali wp³yw rolinnego immunohomologu ANP na transport wody z ksylenu do kory pierwotnej korzenia trzykrotki (Tradescantia sp.). Zaobserwowali istotny wzrost transportu radialnego pod wp³ywem tego peptydu. Natomiast w badaniach in vitro wykazali, ¿e badany peptyd wi¹¿e siê do b³on komórkowych w liciach trzykrotki [48]. Yang i wsp. (1996) stosuj¹c metodê radioimmunologiczn¹ oraz wysokosprawnej chromatografii ¿elowej (HPGPC) wykryli w liciach i ³odygach Metasequoia immunohomolog prohormonu ANP. W analizowanym eluacie zaobserwowali prohormon o wiêkszej masie cz¹steczkowej oraz fragmenty powsta³e w wyniku jego proteolizy. Autorzy przypuszczali, ¿e ten peptyd u³atwia transport wody i soli mineralnych w kierunku wierzcho³ka roliny, umo¿liwiaj¹c Metasequoia osi¹ganie znacznych wysokoci [62]. W 2000 roku Maryani i wspó³pracownicy wyizolowali rolinny homolog ANP z ziemniaka i wykazali jego wp³yw na potencja³ b³onowy komórek lici tej roliny [28]. Autorzy ci stwierdzili tak¿e, ¿e ANP powoduje indukowane osmotycznie pêcznienie protoplastów otrzymywanych z komórek miêkiszowych ziemniaka (Solanum tuberosum). Nastêpnie ustalili, ¿e oddzia³ywanie ANP na komórki przyszparkowe zachodzi przy udziale cGMP i jest naladowane przez analog cGMP (8-BrcGMP). Otwieranie aparatów szparkowych indukowane przez rolinny homolog ANP by³o hamowane, gdy frakcjê bia³kow¹ preinkubowano z przeciwcia³ami króliczymi skierowanymi na ludzkie ANP. Surowica z nieimmunizowanego królika nie wp³ywa³a na ruch szparek. Ustalili tak¿e, ¿e dodanie 8-Br-cGMP nie powoduje zmian objêtoci protoplastów. Na tej podstawie stwierdzili, ¿e w tym przypadku efekt zmian objêtociowych nie jest powodowany przez cGMP i zasugerowali mo¿liwoæ istnienia innych dróg przekazywania sygna³u, niezale¿nych od cGMP [29]. Zaobserwowano tak¿e, ¿e egzogennie podawane zwierzêce ANP wywieraj¹ zró¿nicowany wp³yw na roliny [5, 28, 48]. Na tej podstawie zasugerowano istnienie u rolin receptora, dla którego ANP mo¿e byæ ligandem. Ustalono, ¿e przypuszczalne receptory (podobnie jak receptory peptydów natriuretycznych) znajduj¹ siê w b³onie komórkowej [13]. W 2002 roku opublikowano pracê o zidentyfikowaniu w genomie rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana) sekwencji AtPNP, która koduje bia³ko wi¹¿¹ce siê 456 S. WROTEK, G. D¥BROWSKA, A. TRETYN z przeciwcia³ami do ludzkiego ANP. Stwierdzono, ¿e sekwencja nukleotydowa genu oznaczonego jako AtPNP jest tak¿e podobna do transkryptu z Citrus jambhiri zwanego CjBAp12 o nieznanej funkcji i do genów z rodziny ekspansyn [26]. Dane te s¹ zgodne z wynikami uzyskanymi przez Ceccardi, który jako pierwszy wskaza³ na podobieñstwo CjBAp12 do ekspansyn [8] (ryc. 3). W wyniku kontynuacji badañ dotycz¹cych immunoreaktywnego peptydu wyizolowano dwa homologi (irPNP): AtPNP-A i AtPNP-B (26). Porównanie sekwencji aminokwasowych obu bia³ek wyizolowanych z Arabidopsis thaliana wykazuje konserwatywny wzór kolejnoci aminokwasowej. Natomiast porównuj¹c sekwencje aminokwasowe bia³ek AtPNP-A i CjBAp12, stwierdzono homologiê fragmentów α-helikalnych i struktury-β w konformacji cz¹steczek [26]. Porównano tak¿e ekspansyny z irPNP (ang. immuno reactant natriuretic peptide). Ekspansyny to bia³ka, które maj¹ wspólne miejsce katalityczne z glukonazami. Oddzia³uj¹ one z mikrofibryllami celulozy i powoduj¹ rozlunienie lub os³abienie wi¹zañ miêdzy sk³adnikami ciany. Najwa¿niejsz¹ cech¹ bia³ek irPNP jest brak C-koñca, który jest charakterystyczny dla ekspansyn. Wynika z tego zasadnicza ró¿nica w ich funkcji, poniewa¿ C-terminalna domena odpowiada za wi¹zanie ekspansyn z celulozow¹ cian¹ komórki rolinnej. Jest wiêc bardzo prawdopodobne, i¿ bia³ka irPNP utraci³y tê domenê, a wiêc i funkcjê wi¹zania siê ze cian¹ komórki. Utrata funkcji, spowodowa³a zwiêkszenie mobilnoci bia³ka CjBAp12, które jest obecne w liciu, choæ tam nie jest syntezowane. Zaproponowano wiêc model molekularnej ewolucji bia³ek irPNP. Wspólny przodek prawdopodobnie mia³ w³aciwoci hydrolityczne i wi¹za³ siê ze cian¹ komórkow¹. Z tego probia³ka w toku dalszej ewolucji powsta³y ekspansyny, zdolne do wi¹zania siê ze cian¹, aczkolwiek utraci³y mobilnoæ oraz bia³ka irPNP, których ruchliwoæ wzros³a w zamian za utratê mo¿liwoci wi¹zania siê ze cian¹ komórkow¹. Te wnioski oparte s¹ nie tylko na strukturze bia³ek, ale na ich funkcji w utrzymywaniu homeostazy wody i soli w rolinie [5, 14, 26]. Wskazano równie¿ na funkcjê bia³ek irPNP w transporcie przez membrany komórkowe, stymulacjê osmotyczno-zale¿nego transportu wody do protoplastów. Sugeruje siê tak¿e pomimo du¿ej ró¿nicy w funkcji ekspansyn i bia³ek irPNP, ich wspó³dzia³anie w odpowiedzi komórki na stres [26]. Porównuj¹c wszystkie omawiane powy¿ej bia³ka, wykazano wspólne cechy w budowie wynikaj¹ce z rozmieszczenia pojedynczych aminokwasów, a tak¿e motywów 57-aminokwasowych, które wydaj¹ siê byæ wysoce konserwatywne [26]. W 2003 roku Gehring i Irving opublikowali schemat stanowi¹cy podsumowanie wiedzy dotycz¹cej funkcjonowania immunohomologu ANP u rolin (ryc. 4) [15]. Natomiast w nastêpnym roku Kende i inni [24] usystematyzowali nomenklaturê bia³ek nale¿¹cych do superrodziny ekspansyn. Uwzglêdniono równie¿ tzw. rolinne peptydy natriuretyczne, które maj¹ domenê podobn¹ do domeny I ekspansyn [24]. ROLINNY HOMOLOG ZWIERZÊCEGO ANP 457 RYCINA 3. Porównanie sekwencji rolinnego immunohomologu ANP pochodz¹cego z Arabidopsis thaliana z ekspansyn¹ gamma wykonane w programie BLAST- 458 S. WROTEK, G. D¥BROWSKA, A. TRETYN RYCINA 4. Wp³yw rolinnego homologu ANP na zawartoæ jonów w komórce: 1 pompa protonowa, + 2 ró¿ne typy kana³ów jonowych, 3 symport Cl i H , 4 receptor rolinnego homologu ANP (irPNP) (wg [15] zmodyfikowany) PODSUMOWANIE Pomimo wielu badañ przeprowadzonych na rolinach zarówno wystêpowanie ANP, jak i ich rola budz¹ wiele kontrowersji. G³ównym argumentem przemawiaj¹cym za istnieniem rolinnych homologów ANP by³o wykrycie rolinnych peptydów dziêki przeciwcia³om specyficznym dla fragmentu ludzkiego ANP. Ustalono, ¿e zidentyfikowane immunoreaktywne peptydy: ♦ wystêpuj¹ powszechnie u wielu gatunków rolin [58], ♦ s¹ syntetyzowane w postaci probia³ka, które podlega proteolitycznej obróbce prowadz¹cej do powstania fragmentów homologicznych do tych, jakie powstaj¹ z preprobia³ka ANP [58], ROLINNY HOMOLOG ZWIERZÊCEGO ANP 459 ♦ masy molekularne zidentyfikowanych rolinnych peptydów s¹ zbli¿one do mas zwierzêcych peptydów natriuretycznych [58], ♦ posiadaj¹ one w swojej sekwencji cysteiny po³¹czone mostkiem dwusiarczkowym, który warunkuje aktywnoæ biologiczn¹, natomiast Skarboksymetylacja bia³ka powoduje utracenie jego aktywnoci [37], ♦ powoduj¹ wzrost stê¿enia cGMP w traktowanych nimi tkankach rolinnych [37]. Opublikowanie sekwencji immunohomologu ANP przez zespó³ Gehringa [29] sk³ania do przypuszczeñ, ¿e w tym przypadku oddzia³ywanie stosowanych zwierzêcych przeciwcia³ z ekstraktami rolinnymi jest niespecyficzne. W wietle powy¿szych wyników mo¿na stwierdziæ, ¿e stosowanie przeciwcia³ poliklonalnych do wykrywania antygenów u organizmów pochodz¹cych z ró¿nych królestw mo¿e prowadziæ do wykrywania niepo¿¹danych peptydów. Mimo braku homologii ANP do sekwencji rolinnego peptydu immunoreaktywnego niezmiennie stosowano nazwê immunohomolog. Sta³o siê to przyczyn¹ pojawiaj¹cych siê (zw³aszcza w pracach przegl¹dowych) b³êdów rzeczowych. W publikacji z 2003 roku mo¿na nawet przeczytaæ, ¿e odkryto obecnoæ genu koduj¹cego ANP u rolin [31]. Tymczasem wykazano jedynie, ¿e cDNA genu ANP z owcy hybrydyzuje z DNA i RNA bluszczu (Hedera helix) [61]. W 2003 roku w NCBI zdeponowano sekwencjê genu okrelanego jako Immunoreactant natriuretic peptide-like protein(AC Q8RWA0 i Q84V62). Po wykonaniu analizy za pomoc¹ programu BLASTP mo¿na stwierdziæ, ¿e s¹ to peptydy najbardziej podobne do ekspansyn. W 2004 roku zespó³ Gehringa opublikowa³ pracê, w której pierwszy raz przyznano, ¿e sekwencje tzw. immunohomologów ró¿ni¹ siê znacz¹co od sekwencji ANP [33]. Zak³adaj¹c, ¿e dojrza³e peptydy natriuretyczne charakteryzuj¹ siê: ♦ obecnoci¹ dwóch cystein, pomiêdzy którymi tworzy siê wi¹zanie dwusiarczkowe, nadaj¹ce charakterystyczn¹ strukturê piercienia, ♦ obecnoci¹ 17-aminokwasowego, konserwatywnego fragmentu, w którym 11 aminokwasów jest zawsze takich samych. Mo¿na stwierdziæ, ¿e do tej pory nie zidentyfikowano rolinnego genu koduj¹cego peptyd, spe³niaj¹cy powy¿sze wymagania. LITERATURA [1] ALLER G, LOMBARDO I, BHANOT S, FORREST JR JN. Cloning, characterization and functional expression of a CNP receptor regulating CFTR in the shark rectal gland. Am J Physiol 1999; 276: 442449. [2] ANDERSON JV, STRUTHERS AD, PAYNE NN, SLATER JD, BLOOM SR. Atrial natriuretic peptide inhibits the aldosterone response to angiotensin II in man. Clin Sci (Colch) 1986; 70: 507512. [3] ANTUNES-RODRIGUES J, MCCANN SM, ROGERS LC, SAMSON WK. Atrial natriuretic factor inhibits dehydration- and angiotensin II-induced water intake in the conscious, unrestrained rat. Proc Natl Acad Sci USA 1985; 82: 87208723. [4] APERIA A, HOLTBACK U, SYREN LM, SVENSSON LB, FRYCKSTEDT J, GREENGARD P. Activation / deactivation of renal Na , K-ATPase: a final common pathway for regulation of natriuresis. FASEB J 1994; 8: 436439. [5] BILLINGTON T, PHARMAWATI M, GEHRING CA. Isolation and immunoaffinity purification of biologically active plant natriuretic peptide. Biochem Biophys Res Commun 1997; 235: 722725. 460 S. WROTEK, G. D¥BROWSKA, A. TRETYN [6] BROWN J, ZUO Z. C-type natriuretic peptide and atrial natriuretic peptide receptors of rat brain. Am J Physiol 1993; 264: 513523. [7] CARMELO C, LOPEZ-FARRE A, RIESCO A, OLIVERA A, OKADA K, CRAGOE E J, TSAI P, BRIN+ + GER VA, SCHRIER RW. Atrial natriuretic peptide and cGMP inhibit Na / H antiporter in vascular smooth muscle cell culture. Kidney International 1994; 45: 6675. [8] CECCARDI TL, BARTHE GA, DERRICK KS. A novel protein associated with citrus blight has sequence similarities to expansin. Plant Mol Biol 1998; 38: 775783. [9] CHINKERS M, GARBERS DL, CHANG MS i inni. A membrane form of guanylate cyclase is an atrial natriuretic peptide receptor. Nature 1989; 338: 7883. [10] CURIE MG, FOK KF, KATO J, MOORE RJ, HAMRA FK, DUFFIN KL, SMITH CE. Guanylin: an endogenous activator of intestinal guanylate cyclase. Proc Natl Acad Sci USA 1992; 89: 947951. [11] de BOLD A J, BORENSTEIN B H, VERESS AT, SONNENBERG H. A rapid and potent natriuretic response to intravenous injection of atrial myocardial extract in rats. Life Sci 1981; 28: 8994. [12] FORTE LR, EBER SL, FAN X, LONDON RM, WANG Y, ROWLAND LM, CHIN DT, FREEMAN RH. KRAUZE WJ. Lymphoguanylin: cloning and characterization of a unique member of guanylin peptide family. Endocrinology 1999; 140: 18001806. [13] GEHRING CA, MD KHALID K, TOOP T, DONALD JA. Rat natriuretic peptide binds specifically to plant membranes and induces stomatal opening. Biochem Biophys Res Commun 1996; 228: 739744. [14] GEHRING CA. Natriuretic peptides a new class of plant hormone? Ann Bot 1999; 83: 329334. [15] GEHRING CA, IRVING HR Natriuretic peptides a class of heterologous molecules in plants. Inter J Biochem Cell Biol 2003; 35: 13181322. [16] HAMRA FK, FORTE LR, EBER SL, PIDHORODECKYJ NV, KRAUSE WJ, FREEMAN RH, CHIN DT, TOMPKINS JA, FOK FK, SMITH CE, DUFFIN L, SIEGEL NR, CURRIE MG. Uroguanylin structure and activity of a second endogenous peptide that stimulates intestinal guanylate cyclase. Proc Nat Acad Sci USA 1993; 90: 1046410468. [17] HARRIS PJ, THOMAS D, MORGAN TO. Atrial natriuretic peptide inhibits angiotensin-stimulated proximal tubular sodium and water reabsorption. Nature 1987; 326: 697698. [18] HUNT PJ, ESPINER EA, NICHOLLS MG, RICHARDS AM, YANDLE TG. Differing biological effects of equimolar atrial and brain natriuretic peptide infusions in normal man. J Clin Endocrinol Metab 1996; 81: 38713876. [19] ITOH H, PRATT RE, DZAU VJ. Atrial natriuretic polypeptide inhibits hypertrophy of vascular smooth muscle. J Clin Invest 1990; 867: 16901697. [20] JOHN S WM, KREGE JH, OLIVER PM i inni. Genetic decreases in atrial natriuretic peptide and saltsensitive hypertension. Science 1995; 267: 679681. [21] JOHNSON AK. The preventricular antenovental third ventricle (AV3V) its relationship with the subfornical organ and neural systems involved in maintaining body fluid homeostasis. Brain Res Bull 1985; 13: 595601. [22] KATAFUCHI T, TAKASHIMA A, KASHIWAGI M, HAGIWARA H, TAKEI Y, HIROSE S. Cloning and expression of eel natriuretic peptide receptor B NPR-B and its comparison with the mammalian counterparts. Eur J Biochem 1994; 222: 835842. [23] KECSKEMETI V, PACHER P, PANKUCSI C, NANASI P. Comparative study of cardic electrophysiological effects of atrial natriuretic peptide. Mol Cell Biochem 1996; 161: 5359. [24] KENDE H, BRADFORD KJ, BRUMMEL DA, CHO HT, COSGROVE DJ, FLEMING AJ, GEHRING C, MCQUEEN-MASON S, ROSE JKC, VOESENEKLA CJ. Nomenclature for members of the expansin superfamily of genes and proteins. Plant Mol Biol 2004; 55: 311314. [25] LEVIN E R. Natriuretic peptide C-receptor: more than a clearance receptor. Am J Physiol 1993; 264: 483 489. [26] LUDIDI NN, HEAZLEWOOD JL, SEOIGHE C, IRVING HR, GEHRING CA. Expansin-like molecules: novel functions derived from common domains. J Mol Evol 2002; 54: 587594. [27] MAACK T. Receptors of atrial natriuretic factor. Annu Rev Physiol 1992; 54: 1127. [28] MARYANI MM, SHABALA SN, GEHRING CA. Plant natriuretic peptide immunoreactants modulate + plasma-membrane H gradients in Solanum tuberosum L. leaf tissue vesicles. Arch Biochem Biophys 2000; 376: 457458. [29] MARYANI MM, BRADLEY G, CAHILL DM, GEHRING CA. Natriuretic peptides and immunoreactants modify osmoticum-dependent volume changes in Solanum tuberosum L. Mesophyll cell protoplasts. Plant Sci 2001; 161: 443452. ROLINNY HOMOLOG ZWIERZÊCEGO ANP 461 [30] MATSUBAYASHI Y, SAKAGAMI Y. Phytosulfokines, sulfated peptides that induce the proliferation of single mesophyll cells of Asparagus officinalis. Proc Natl Acad Sci USA 1996; 93: 76237627. [31] MINORSKY PV. The hot and the classic. Plant Physiol 2003; 131: 383384. [32] MISONO KS, FUKUMI H, GRAMMER RT, INAGAMI T. Rat atrial natriuretic factor: complete sequence and disulfide linkage essential for biological activity. Biochem Bioph Res Commun 1984; 119: 524529. [33] MORSE M, PIRONCHEWA G, GEHRING C. AtPNP is a systemically mobile natriuretic peptide immunoanaloque with a role in Arabidopsis thaliana cell volume regulation. FEBS Lett 2004; 556: 99103. [34] MUKOYAMA M, NAKAO K, HOSODA K et al. Brain natriuretic peptide as a novel cardiac hormone in humans: evidence for an exquisite dual natriuretic peptide system, atrial natriuretic peptide and brain natriuretic peptide. J Clin Invest 1991; 87: 14021412. [35] PATIL RV, HAN Z, WAX M B. Regulation of water channel activity of avaporin 1 by arginine vasopressin and atrial natriuretic peptide. Biochem Bioph Res Commun 1997; 238: 392396. [36] PETROV V, AMERY A, LIJNEN P. Role of cyclic GMP in atrial-natriuretic-peptide stimulation of erytro+ + cyte Na / H exchange. Eur J Biochem 1994; 221: 195199. [37] PHARMAWATI M, BILLINGTON T, GEHRING CA. Stomatal guard cell responses to kinetin and natriuretic peptides are cGMP dependent. Cell Mol Life Sci 1998a; 54: 272276. [38] PHARMAWATI M, GEHRING CA, IRVING HR. An immunoaffinity purified plant natriuretic peptide analogue modulates cGMP levels in the Zea mays root stele. Plant Sci 1998b; 137: 107-115. [39] PHARMAWATI M, MARYANII MM, NIKOLAPOULOS T, GEHRING CA, IRVING HR. Cyclic GMP modulates stomatal opening induced by natriuretic peptides and immunoreactive analogues. Plant Physiol Biochem 2001; 39: 385394. [40] PISKORNIK Z. Fizjologia rolin dla studentów Wydz.Ogr. PWN, 1987. [41] REINECKE M, NEHLS M, FORSSMANN WG. Phylogenetic aspects of cardiac hormones as revealed by immunohistochemistry, electronmicroscopy, and bioassay. Peptides 1985; 3: 321331. [42] RUSKOAHO H, Atrial natriuretic peptide: synthesis, release, and metabolism. Pharmacol Rev 1992; 44: 479602. [43] SAMSON WK, AGUILA MC, MARTINOVIC J, ANTUNES-RODRIGUES J, NORRIS M. Hypothalamic action of atria natriuretic factor to inhibit vasopressin secretion. Peptides 1987; 8: 449454. [44] SCHWAITZ H, VIGNE P, MOINIER D, FRELIN C, LAZDUNSKI M. A new member of the natriuretic peptide family is present in the venom of the green mamba (Dendroaspis anguiceps). J Biol Chem 1992; 20: 1392813932. [45] STEINHELPER ME, COCHRANE KL, FIELD LJ. Hypotension in transgenic mice expressing atrial natriuretic factor fusion genes. Hypertension 1990; 16: 301307. 2 + [46] STOCKAND JD, SAMSON SC. Role of large Ca -activated K channels in the regulation of mesangial contraction by nitroprusside and ANP. Am J Physiol 1996; 270: 17731779. [47] SUDOH T, MINAMINO N, KANGAWA K, MATSUO H. C-type natriuretic peptide P. A new member of natriuretic peptide family identified in porcine brain. Biochem Biophys Res Commun 1990; 168: 863870. [48] SUWASTIKA I, GEHRING CA. Natriuretic peptide hormones increase radial ater movement from the xylem of Tradescantia shoots. Cell Mol Life Sci 1998; 54: 11611167. [49] SUWASTIKA IN, TOOP T, IRVING HR, GEHRING CA. In situ and in vitro inding of natriuretic peptide hormones in Tradescantia multiflora. Plant Biol 2000; 2: 13. [50] SZEKERS M. Brassinosteroid and systemin: two hormones perceived by the same receptor. Trends Plant Sci 2003; 8:102104. [51] TAKEI Y, TAKANO M, ITAHARA Y, WATANABE TX, NAKAJIMA K, ONKLIN DJ, DUFF DW, OLSON KR. Rainbow trout ventricular natriuretic peptide: isolation, sequencing, and determination of biological activity. Gen Comp Endocrinol 1994; 96: 420426. [52] TAKEI T. Does the natriuretic peptide system exist throughout the animal and plant kingdom? Comp Biochem Physiol Part B 2001; 129: 559573. [53] TAMURA N, OGAWA Y, YASODA A, ITOH H, SAITO Y, NAKAO K. Two cardiac peptide genes atrial natriuretic peptide and brain natriuretic peptide are organized in tandem in the mouse and human genomes. J Mol Cell Cardiol 1996; 28: 18111815. [54] TOOP T, DONALD JA, EVANS DH. Natriuretic peptide receptors in the kidney and the ventral and dorsal aortae of the Atlantic hagfish Myxine glutinosa (Agnatka). J Exp Biol 1995; 198: 18751882. [55] TURRIN M Q A, SAWAYA MI, SANTOS MCF, VEIGA LV, MANTERO F. Atrial natriuretic peptide ANP increases in the mangrove crab Ucides cordatus when exposed to increased environmental salinity. Comp Biochem Physiol 1992; 101A: 803806. 462 S. WROTEK, G. D¥BROWSKA, A. TRETYN [56] VESELY DL, GIORDANO AT. Atrial natriuretic peptide hormonal system in plants. Biochem Biophys Res Commun 1991; 179: 695700. [57] VESELY DL, GIORDANO AT. Atrial natriuretic factor-like peptide and its prohormone within single cell organisms. Peptides 1992; 13: 177182. [58] VESELY DL, GOWER JR. WR, GIORDANO AT. Atrial natriuretic peptides are present throughout the plant kingdom and enhance solute flow in plants. Am J Physiol 1993a; 265: E465E477. [59] VESELY DL, GOWER JR. WR, GIORDANO AT, FRIEDL FE. Atrial natriuretic peptides in the heart and hemolymph of the oyster, Crassostrea irginica: a comparison with vertebrates. Comp Biochem Physiol 1993b; 106B: 535546. [60] VESELY DL, DOUGLASS MA, DIETZ JR, GOWER JR WR, MCCORMICK MT, RODRIGUEZ-PAZ G, SCHOCKEN DD. Three peptides from the atrial natriuretic factor prohormone amino terminus lower blood pressure and produce a diuresis, natriuresis and/or kaliuresis in humans. Circulation 1994; 90: 11291140. [61] VESELY MD, GOWER WR, PEREZ-LAMBOY G, OVERTON RM, GRADDY L, VESELY DL. Evidence for an atrial natriuretic peptide-like gene in plants. Exp Biol Med 2001; 226: 6165. [62] YANG Q, MATSUBAYASHI Y, NAKAMURA K, SAKAGAMI Y. Oryza sativa PSK gene encodes a prekursor of phytosulfokine-α, a sulfated peptide growth factor fund in plants. Proc NATO Acad Sci USA 1999b; 96: 1356013565. [63] ZEIDEL M L. Hormonal regulation of inner medullary collecting duct sodium transport. Am J Physiol 1993; 265: F159F173. Redaktor prowadz¹cy Maria Olszewska Otrzymano: 01.03.2005 r. Przyjêto: 10.05.2005 r. 87-100 Toruñ e-mail: [email protected]
