docBez tytu³u-1 - Postępy Biologii Komórki
download 
Reklamacja Transkrypt
Bez tytu³u-1 - Postępy Biologii Komórki
ROLINNE POMPY METALOWE (P 1B-ATPazy) POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI 657 TOM 33 2006 NR 4 (657666) ROLA PIERWOTNYCH POMP METALOWYCH (P1B-ATPaz) W UTRZYMYWANIU HOMEOSTAZY METALI CIʯKICH W KOMÓRKACH ROLINNYCH* THE ROLE OF PRIMARY METAL PUMPS (P1B-ATPases) IN THE MAINTAINING OF HEAVY METALS HOMEOSTASIS IN PLANT CELLS Magdalena MIGOCKA Instytut Biologii Rolin, Zak³ad Fizjologii Rolin, Uniwersytet Wroc³awski Streszczenie: P1B-ATPazy, nale¿¹ce do rodziny P-ATPaz, transportuj¹ metale ciê¿kie przez b³ony komórkowe wykorzystuj¹c ATP jako ród³o energii. W zwi¹zku z pe³nion¹ funkcj¹ maj¹ specyficzne motywy strukturalne (motyw Cys-Pro-Cys/His/Ser) lub fragmenty bogate w His, które mog¹ odpowiadaæ za przy³¹czanie i przenoszenie jonu metalowego. Roliny, w porównaniu z innymi organizmami, maj¹ wiêcej P-ATPaz typu P1B. W zwi¹zku z tym przypuszcza siê, ¿e rolinne pompy metalowe wykazuj¹ zró¿nicowanie zarówno pod wzglêdem pe³nionych funkcji, jak i rozmieszczenia w komórce. Badania z ostatnich lat potwierdzaj¹ te przypuszczenia, wskazuj¹c na potencjaln¹ rolê tych bia³ek w dystrybucji metali w obrêbie komórek i tkanek oraz w usuwaniu nadmiaru jonów metalowych poza obszar cytoplazmy. Poszczególne bia³ka tej podrodziny wykazuj¹ przy tym odmienne powinowactwo do ró¿nych metali. W pracy zebrano dotychczasowe dane dotycz¹ce P1B-ATPaz, ze szczególnym uwzglêdnieniem ich roli w utrzymaniu równowagi metali ciê¿kich w komórce rolinnej: udzia³u w ¿ywieniu mineralnym rolin i detoksykacji komórek rolinnych w warunkach nadmiaru metali ciê¿kich w rodowisku. S³owa kluczowe: metale ciê¿kie, transportery pierwotne, ATP-azy. Summary: The sub-family of the P-type ATPases superfamily, P1B-ATPases, comprises primary metal transporters using ATP as the source of energy. According to their function, they contain the specific structural motifs (Cys-Pro-Cys/His/Ser motif) and His rich domains, that may participate in metal binding and transport across the membranes. Higher plants possess more P1B-ATPases then do other organisms and these are located in different cell membranes and tissues having a variety of tasks. It was shown that plant P1B-ATPases play a crucial role in the distribution of metals inside the cells and tissues as well as in the exclusion of toxic metals from the cytosol. According to this, the different metal specificity was revealed for various members of plant P1B-ATPases.We present the family of P1B-ATPases with emphasis on the role of plant metal pumps in maintaining of metal homeostasis: delivery of the essential metals to target proteins and detoxification of cell from the heavy metals excess. Keywords: heavy metals, primary transporters, ATPases. *Praca czêciowo finansowana przez Komitet Badañ Naukowych (grant nr 2P04C 123 29). 658 M. MIGOCKA WSTÊP W ostatnich latach obserwujemy stale wzrastaj¹ce zanieczyszczenie gleb uprawnych metalami ciê¿kimi. Wynika to przede wszystkim z przemys³owej i rolniczej dzia³alnoci cz³owieka. Wiele nawozów stosowanych w rolnictwie zawiera w swoim sk³adzie takie metale ciê¿kie, jak Pb i Cd, st¹d zanieczyszczenie spowodowane tymi metalami wystêpuje powszechnie na u¿ytkach rolnych. Roliny jako organizmy nieprzemieszczaj¹ce siê w trakcie ca³ego cyklu ¿yciowego s¹ szczególnie nara¿one na nadmiar jonów metali ciê¿kich w glebie. Toksyczne stê¿enia metali objawiaj¹ siê u rolin takimi symptomami, jak: chlorozy i nekrozy, kar³owacenie, odbarwienie lici czy zahamowanie wzrostu korzeni [22]. Na poziomie subkomórkowym metale ciê¿kie mog¹ zaburzaæ aktywnoci enzymów lub funkcje bia³ek strukturalnych, poprzez wi¹zanie do ich grup aminowych, karboksylowych i sulfhydrylowych. Konsekwencj¹ nadmiernego pobierania metali ciê¿kich przez rolinê mo¿e byæ równie¿ deficyt innych, niezbêdnych dla prawid³owego metabolizmu jonów, zaburzanie procesów transportu komórkowego i stres oksydacyjny [22]. Z drugiej strony, wiêkszoæ metali pe³ni istotne funkcje w metabolizmie rolinnym. Roliny musia³y zatem rozwin¹æ bardzo precyzyjne mechanizmy utrzymuj¹ce stê¿enie jonów metali ciê¿kich w cytosolu na odpowiednim poziomie. Kluczow¹ rolê odgrywaj¹ tu procesy transportu metali przez zewnêtrzne i wewnêtrzne b³ony komórkowe. S¹ one bardzo efektywne u hyperakumulatorów, rolin wykorzystuj¹cych wyspecjalizowane b³onowe systemy transportowe do usuwania nadmiaru metali do wakuoli lub apoplastu. Szczególn¹ rolê w regulacji komórkowej homeostazy metali ciê¿kich przypisuje siê w ostatnich latach pierwotnym transporterom metali ciê¿kich z podrodziny P1B-ATPaz nale¿¹cej do grupy P-ATPaz. Wydaje siê, ¿e to w³anie pompy metalowe odpowiadaj¹ w du¿ej mierze za dystrybucjê i/lub wydalanie jonów metali ciê¿kich z komórek rolinnych [23]. Z uwagi na liczne doniesienia, opisuj¹ce badania nad poszczególnymi bia³kami tej podrodziny, w artykule zebrano dotychczasowe wyniki i wnioski dotycz¹ce charakterystyki, budowy i przewidywanej funkcji P1B-ATPaz u rolin. P1B-ATPazy W WIECIE ¯YWYM Dotychczasowe badania wykaza³y, ¿e pompy metalowe wyodrêbni³y siê wczenie w procesie ewolucji jako osobna podrodzina z grupy P-ATPaz [3]. Obecnoæ P1BATPaz wykazano zarówno u Archea, jak i u Eucaryota, a zatem u organizmów tak ró¿nych, jak: bakterie, dro¿d¿e, roliny i cz³owiek [3]. Pierwsze doniesienia dotycz¹ce charakterystyki P1B-ATPaz pochodzi³y z badañ opisuj¹cych dwie miedziowe ATPazy: CopA i CopB u Enterococcus hirae [18]. Wykazano wtedy, ¿e CopA uczestniczy w imporcie Cu(I) do komórki w warunkach deficytu miedzi w rodowisku, natomiast CopB wyrzuca Cu(I) na zewn¹trz w warunkach nadmiaru tego metalu w komórce. Bia³ka te wykazywa³y równie¿ powinowactwo do Ag(I). Do podrodziny pomp metalowych nale¿¹ równie¿ dwie ludzkie P-ATPazy miedziowe: ATP7A i ATP7B [6]. Dysfunkcja tych bia³ek powoduje ROLINNE POMPY METALOWE (P 1B-ATPazy) 659 zaburzenia w metabolizmie miedzi u cz³owieka: chorobê Menkesa (defekt w ATP7A) i chorobê Wilsona (defekt w ATP7B) [6]. Obydwie ATPazy s¹ podobne w 40% do bia³ka CopA E. hirae [22]. Zidentyfikowane u dro¿d¿y bia³ko CCC2, transportuj¹ce mied do pêcherzyków Golgiego, to tak¿e ATPaza typu P1B [22]. Pierwsz¹ zidentyfikowan¹ rolinn¹ P1B-ATPaz¹ by³o bia³ko PAA1 Arabidopsis thaliana [22]. Póniej, u tej samej roliny, odkryto RAN1, pompê metalow¹ przenosz¹c¹ do pêcherzyków systemu wydzielniczego mied, niezbêdn¹ do syntezy funkcjonalnie czynnych receptorów etylenu [23]. Wykorzystanie nowoczesnych metod biologii molekularnej oraz wyników badañ prowadzonych na bakteriach, dro¿d¿ach i zwierzêtach umo¿liwi³o w ostatnich latach identyfikacjê licznych genów, koduj¹cych pompy metalowe u rolin: rzodkiewnika (osiem), ry¿u (dziewiêæ), jêczmienia (dziesiêæ), tobo³ków, kukurydzy i glonów. W podrodzinie tych bia³ek wyodrêbniono dwie grupy: pierwsza grupa obejmuje ATPazy transportuj¹ce metale jednowartociowe Cu/Ag; druga przenosi przez b³ony jony dwuwartociowe Zn/Cd/Pb/Co [2]. Co ciekawe, tylko prokarionty i fotosyntetyzuj¹ce eukarionty maj¹ drug¹ podgrupê P1B-ATPaz. Przypuszcza siê, ¿e roliny mog³y nabyæ geny koduj¹ce te bia³ka w wyniku horyzontalnego transferu genów od prokariotycznego endosymbionta, który da³ pocz¹tek plastydom [23]. Stosunkowo du¿a liczba genów koduj¹cych metalowe ATPazy u rolin wy¿szych sugeruje, ¿e bia³ka tej podrodziny mog¹ byæ zró¿nicowane zarówno pod wzglêdem pe³nionej funkcji, jak i miejsca wystêpowania w komórce. Na rycinie 1 przedstawiono prawdopodobne wewn¹trzkomórkowe rozmieszczenie rolinnych P1B-ATPaz. STRUKTURA P1B-ATPaz. Jako bia³ka nale¿¹ce do wiêkszej rodziny P-ATPaz, pompy metalowe maj¹ domeny charakterystyczne dla tej grupy bia³ek, jak równie¿ fragmenty specyficzne tylko dla swojej podgrupy. Przypuszcza siê, ¿e P1B-ATPazy maj¹ 8 domen transb³onowych, podczas gdy Ca-ATPazy, nale¿¹ce do tej samej rodziny, maj¹ ich 10 [12]. W strukturze Ca-ATPaz wystêpuj¹ dwie pêtle skierowane do cytoplazmy: ma³a, miêdzy helisami 2 i 3, oraz du¿a, miêdzy helisami 4 i 5. Podobnie jest u P1B-ATPaz z t¹ ró¿nic¹, ¿e ma³a pêtla oddziela helisy 4 i 5, a du¿a 6 i 7 (ryc. 2). U wszystkich P-ATPaz, w³¹czaj¹c pompy metalowe, wystêpuje domena P, sk³adaj¹ca siê z trzech charakterystycznych motywów: motywu DKTGT(LIVM)(TIS), zawieraj¹cego resztê asparaginianow¹ podlegaj¹c¹ fosforylacji podczas wi¹zania ATP, motywu GDGxNDxP, który mo¿e wi¹zaæ Mg2+, oraz motywu PxxK, który mo¿e wchodziæ w interakcjê z tlenem pochodz¹cym od reszty fosforanowej ATP [23]. Równie¿ domena A, zawieraj¹ca specyficzny motyw S/TGE, który prawdopodobnie reguluje stan otwarcia/zamkniêcia pomp ATPazowych, jest obecna w pompach metalowych [23]. Natomiast cech¹ charakterystyczn¹ tylko dla P1B-ATPaz jest obecnoæ dwóch specyficznych elementów strukturalnych [23]: 1. motywu CPx w transb³onowej domenie 6 (cysteina-prolina-histydyna/cysteina/seryna), który uczestniczy w transporcie metali przez b³onê komórkow¹; 660 M. MIGOCKA RYCINA 1. Przewidywane wewn¹trzkomórkowe rozmieszczenie bia³ek z rodziny P1B-ATPaz (wg Williams i Mills [23], zmodyfikowane): Uproszczona komórka zawiera wakuolê (W), aparat Golgiego (AG), j¹dro (J), chloroplast (CHL) i mitochondrium (M), otoczone zewnêtrzn¹ b³on¹ komórkow¹ (PM). Zaproponowano nastêpuj¹ce funkcje dla poszczególnych bia³ek: HMA6 i HMA8 transportuj¹ Cu do stromy i wiat³a tylakoidów, gdzie metal wbudowywany jest w metaloproteiny (Cu/Zn dysmutazê nadtlenkow¹, plastocyjaninê) [1]; Hma7 transportuje Cu do cystern aparatów Golgiego, gdzie metal zu¿ywany jest do syntezy funkcjonalnie czynnego receptora etylenu ETR1 [9]; Hma2 i Hma4 usuwaj¹ nadmiar Cu i Zn do apoplastu, bior¹c udzia³ w detoksykacji komórki [12, 21]; Hma1 mo¿e dostarczaæ Zn do chloroplastów, natomiast Hma3 i Hma5 mog¹ uczestniczyæ w detoksykacji komórki z Pb i Cd (Hma3) oraz Cu (Hma5), w warunkach zwiêkszonego stê¿enia tych metali w rodowisku [23] 2. locus HP; obecne tu konserwatywne reszty histydynowe i glutaminianowe mog¹ wspó³tworzyæ miejsce wi¹¿¹ce ATP. Poza tym, w obrêbie odcinków N- i C-koñcowych P1B-ATPaz wystêpuj¹ specyficzne domeny wi¹¿¹ce jony metali. Nale¿¹ tu: domena HMA (Heavy-Metal Associated) z charakterystycznym motywem CxxC (od której przyjêto obecnie stosowane nazew-nictwo dla rolinnych pomp metalowych) oraz regiony bogate w reszty histydynowe i cysteinowe [23]. Z pozosta³ych w³aciwoci strukturalnych odró¿niaj¹cych P1B-ATPazy od reszty P-ATPaz nale¿y wymieniæ krótsz¹ i bardziej zmienn¹ domenê wi¹¿¹c¹ nukleotyd oraz znacznie krótszy region, oddzielaj¹cy odcinki DKTGT i GDGxNDxP w domenie P [23]. FIZJOLOGICZNA ROLA P1B-ATPaz U ROLIN Badania nad modelow¹ rolin¹ Arabidopsis thaliana przybli¿y³y znaczenie pomp metalowych w transporcie i utrzymywaniu homeostazy metali ciê¿kich u rolin. Arabidopsis ma 8 P1B-ATPaz: AtHMA1-AtHMA5, AtHMA6 (znana tak¿e jako PAA1), AtHMA7 (znana tak¿e jako RAN1) i AtHMA8 (znana tak¿e jako PAA2). S¹ ROLINNE POMPY METALOWE (P 1B-ATPazy) 661 RYCINA 2. Model strukturalny bia³ka nale¿¹cego do P1B-ATPaz, AtHMA4 (wg Williams i Mills [23], zmodyfikowany): Bia³ko sk³ada siê prawdopodobnie z omiu transb³onowych domen, przy czym w domenie 6 wystêpuje motyw CPC, charakterystyczny tylko dla P1B-ATPaz. Pêtle cytoplazmatyczne oraz N- i C-koñce ³añcucha polipeptydowego skierowane s¹ do wnêtrza komórki. Motywy charakterystyczne dla P-ATPaz to: domena wi¹¿¹ca nukleotyd (domena N), domena podlegaj¹ca fosforylacji (domena P) oraz domena reguluj¹ca stan otwarcia/zamkniêcia kana³u (domena A). W domenach N- i C-koñcowych wystêpuj¹ sekwencje charakterystyczne dla pompy HMA4, które mog¹ odpowiadaæ za wi¹zanie jonów metalowych to bia³ka zró¿nicowane pod wzglêdem wystêpowania w tkankach i b³onach komórkowych, specyficznoci substratowej i regulacji. To zró¿nicowanie wskazuje na rozmaitoæ funkcji, jakie pompy metalowe pe³ni¹ u rolin. W celu wyjanienia, jakie metale s¹ transportowane przez rolinne pompy metalowe oraz jakiego rodzaju zwi¹zek zachodzi pomiêdzy struktur¹ tych bia³ek a ich funkcj¹, przeprowadzano heterologiczn¹ ekspresjê wybranych przedstawicieli P1B-ATPaz Arabidopsis w komórkach Saccharomyces cerevisiae i Escherichia coli. Na podstawie tych badañ wykazano, ¿e rolinne P1B-ATPazy mog¹ spe³niaæ funkcje o dwojakim charakterze [23], dostarczaj¹c metale niezbêdne dla prawid³owego metabolizmu rolinnego do kompartymentów komórkowych i odpowiednich bia³ek oraz usuwaj¹c metale z komórek w warunkach stresu metali ciê¿kich w rodowisku. W zaopatrzeniu roliny w niezbêdne metale bior¹ udzia³ dwie pompy metalowe zidentyfikowane u Arabidopsis thaliana: AtHMA6 i AtHMA8. Dowiedziono, ¿e te blisko spokrewnione ze sob¹ bia³ka, nazywane tak¿e odpowiednio PAA1 i PAA2, pe³ni¹ kluczow¹ rolê w transporcie Cu do miedzio-zale¿nych bia³ek w chloroplastach [1, 19]. Obydwa bia³ka wystêpuj¹ w odmiennych b³onach chloroplastowych. AtHMA6/PAA1 to bia³ko zwi¹zane z zewnêtrzn¹ b³on¹ chloroplastow¹, transportuj¹ce mied do stromy. Kiedy mied znajdzie siê w stromie chloroplastów, mo¿e byæ wykorzystana do syntezy 662 M. MIGOCKA Zn/Cu-dysmutazy nadtlenkowej lub przeniesiona dalej, do wiat³a tylakoidów. Za ten drugi proces odpowiada pompa AtHMA8/PAA2, zwi¹zana z systemem b³on tylakoidowych. W tylakoidach Cu wbudowywana jest w plastocyjaninê. AtHMA6/ PAA1 wystêpuje zarówno w pêdach, jak i w korzeniach, mo¿e wiêc funkcjonowaæ w zielonych i niezielonych plastydach [1]. AtHMA8/PAA2 obecna jest tylko w pêdach, a wiêc mo¿e byæ aktywna tylko w fotosyntetyzuj¹cych chloroplastach [1]. Mutacja w obydwu genach koduj¹cych te bia³ka jest letalna dla Arabidopsis, co dowodzi ogromnego znaczenia obydwu pomp metalowych dla ¿ycia roliny [1]. Ciekawym odkryciem ostatnich lat jest mo¿liwa interakcja pomiêdzy P1B-ATPazami i metalochaperonami wolnymi bia³kami przenosz¹cymi metale wewn¹trz komórki. Wykazano, ¿e dwie pompy metalowe sinicy Synechocystis, CtaA i PacS, odpowiadaj¹ za dostarczanie Cu do syntezy plastocyjaniny [20]. Pompa CtaA transportuje Cu do komórki, gdzie metal przy³¹czany jest do metalochaperonu Atx1. Nastêpnie, Atx1 przenosi Cu do pompy PacS, transportuj¹cej metal do wiat³a tylakoidów [20]. U Arabidopsis zidentyfikowano niedawno bia³ko chloroplastowe o charakterze metalochaperonu, AtCCS1, które mo¿e byæ funkcjonalnym homologiem Atx1 [23]. Mo¿na przypuszczaæ, ¿e rolinne pompy AtHMA6/PAA1 i AtHMA8/PAA2 funkcjonuj¹ podobnie jak sinicowe bia³ka CtaA i PacS [20], z porednictwem chloroplastowego metalochaperonu AtCCS1 [23]. Nie ma jednak dowodów na interakcjê AtCCS1 z chloroplastowymi P1B-ATPazami. Chocia¿ postuluje siê istnienie wiêkszej liczby metalochaperonów u rolin, jak dot¹d zidentyfikowano niewiele bia³ek tego typu u A. thaliana (np. AtCCH1 i AtCOX170) [4,17]. Pompa metalowa AtHMA7/RAN1 by³a pierwsz¹ rolinn¹ P1B-ATPaz¹, któr¹ opisano pod wzglêdem funkcjonalnym [9]. Tak jak AtHMA6/PAA1 i AtHMA8/PAA2, pompa ta równie¿ uczestniczy w dostarczaniu miedzi do bia³ek, których aktywnoæ zale¿y od obecnoci tego metalu [9]. Pod wzglêdem budowy pompa AtHMA7/RAN1 przypomina pompy miedziowe wystêpuj¹ce u dro¿d¿y (CCC2) i cz³owieka (ATP7A i ATP7B) [9]. Wydaje siê, ¿e szlaki transportu miedzi z udzia³em rolinnej AtHMA7/RAN1 i dro¿d¿owej CCC2 s¹ podobne. Obydwie pompy wystêpuj¹ w b³onach pêcherzyków Golgiego. Prawdopodobnie bia³ko o charakterze metalochaperonu dostarcza Cu, obecn¹ w cytoplazmie, do pomp metalowych systemu pêcherzyków Golgiego, a te z kolei przenosz¹ metal do wiat³a pêcherzyków [9]. Tutaj metal mo¿e byæ wykorzystywany do syntezy receptora etylenu ETR1 [9]. Obecnoæ miedzi w homodimerze ETR1 warunkuje wysokie powinowactwo receptora do etylenu [15]. Jednak¿e dowody na obecnoæ AtHMA7/RAN1 w pêcherzykach Golgiego i udzia³ tego bia³ka w transporcie miedzi do pêcherzyków nie s¹ wystarczaj¹ce. Dowiadczenia z mutantami upoledzonymi pod wzglêdem ekspresji AtHMA7/RAN1 wskazuj¹, ¿e bia³ko to mo¿e byæ tak¿e zaanga¿owane we wzrost komórki, bowiem mutanty AtHMA7/RAN1 by³y letalne na poziomie rozety [23]. W procesie starzenia zmienia siê ekspresja genu koduj¹cego AtHMA7/RAN1, co mo¿e wskazywaæ na udzia³ pompy w mobilizacji miedzi ze starzej¹cych siê lici [10]. AtHMA4 by³a pierwsz¹ pomp¹ metalow¹ z podgrupy Zn/Cd/Co/Pb, której funkcjê okrelono poprzez heterologiczn¹ ekspresjê tego bia³ka u dro¿d¿y i bakterii [12]. ROLINNE POMPY METALOWE (P 1B-ATPazy) 663 Wykazano wówczas prawdopodobny udzia³ tej pompy w wydalaniu Zn przez plazmolemê do apoplastu [12, 13]. Podobn¹ rolê spe³nia³a kolejna pompa nale¿¹ca do tej samej podgrupy, AtHMA2 [7, 23]. Mutanty Arabidopsis z zaburzeniami w biosyntezie AtHMA2 i AtHMA4 cechowa³y siê kar³owatoci¹ i chlorozami [11]. Objawy te ustêpowa³y, gdy zaopatrzono mutanty w takie stê¿enia cynku, które dla zdrowych rolin s¹ toksyczne [11]. Opisane cechy fenotypowe objawia³y siê tylko u rolin z podwójn¹ mutacj¹ genów koduj¹cych AtHMA2 i AtHMA4, co sugeruje, ¿e bia³ka te uzupe³niaj¹ siê wzajemnie pod wzglêdem funkcji pe³nionej w komórkach [11]. Podwójne mutanty gromadzi³y du¿e iloci Zn w korzeniach, ale nie w pêdach [11]. Wykazano, ¿e pompa metalowa AtHMA4 wystêpuje w komórkach walca osiowego otaczaj¹cych uk³ad wi¹zek przewodz¹cych korzenia [21]. W zwi¹zku z tym przypuszcza siê, ¿e AtHMA4 w korzeniu mo¿e odpowiadaæ za transport Zn z komórek miêkiszowych otaczaj¹cych naczynia do naczyñ [21]. Rezultaty badañ, wykazuj¹ce obecnoæ AtHMA2 w zewnêtrznej b³onie komórkowej, pozwalaj¹ przypuszczaæ, ¿e bia³ko to tak¿e bierze udzia³ w miêdzykomórkowym transporcie metali [11]. Uczestnicz¹c w za³adowaniu cynku do naczyñ, bia³ka AtHMA4 i AtHMA2 mog¹ regulowaæ daleki transport metalu do pêdów. Bia³ka te zidentyfikowano tak¿e w tkankach floemu (gdzie mog¹ odpowiadaæ za za³adowanie lub roz³adowanie tej tkanki z Zn), w rozwijaj¹cych siê prêcikach i w podstawie kszta³tuj¹cych siê ³uszczynek (gdzie mog¹ uczestniczyæ w zaopatrzeniu nasion w Zn) [23]. Udzia³ w zaopatrywaniu rolin w niezbêdne metale to nie jedyna funkcja pe³niona przez AtHMA4. Badania na dro¿d¿ach wykaza³y, ¿e pompa ta mo¿e transportowaæ zarówno Zn, jak i Cd [12, 13]. Mutant Arabidopsis, niezdolny do syntezy AtHMA4, cechowa³ siê, w porównaniu z dzikim typem, znacznym zahamowaniem wzrostu w warunkach nadmiaru Zn i Cd w rodowisku [13]. Natomiast nadekspresja genu koduj¹cego AtHMA4 u Arabidopsis powodowa³a zwiêkszon¹ tolerancjê roliny na Co [12, 21]. Powy¿sze doniesienia wskazuj¹ na mo¿liwy udzia³ AtHMA4 w detoksykacji komórek rolinnych z nadmiaru Zn, Cd i Co. Podobn¹ rolê mo¿e spe³niaæ AtHMA3, kolejna pompa metalowa z podgrupy Zn/Cd/ Co/Pb, przy czym mechanizm jej dzia³ania prawdopodobnie polega na usuwaniu nadmiaru Cd i Pb do wakuoli [8]. Jakkolwiek doniesienia o wystêpowaniu tego bia³ka w tonoplacie pochodz¹ tylko z badañ na dro¿d¿ach i niezbêdne jest wykazanie obecnoci AtHMA3 w wakuolach Arabidopsis. Natomiast pompa metalowa AtHMA5 mo¿e uczestniczyæ w usuwaniu nadmiaru Cu przez zewnêtrzn¹ b³onê komórkow¹ do apoplastu [23]. Mutanty Arabidopsis z wy³¹czon¹ ekspresj¹ genu koduj¹cego tê pompê wykazuj¹ nadwra¿liwoæ na Cu [23]. Jakkolwiek nie ma dot¹d badañ, które wskazywa³yby na wystêpowanie AtHMA5 w plazmolemie. Poniewa¿ dowiedziono udzia³u P1B-ATPaz w detoksykacji komórek rolinnych z nadmiaru metali ciê¿kich, wydaje siê, ¿e bia³ka te maj¹ kluczowe znaczenie dla rolin, które doskonale rosn¹ na glebach zanieczyszczonych metalami. Do takich rolinnych hyperakumulatorów nale¿y Thlaspi caerulescens, gatunek gromadz¹cy toksyczne stê¿enia Zn i Cd w pêdach. Wykazano, ¿e pompa metalowa TcHMA4, odpowiednik AtHMA4 u A. thaliana, transportuje jony cynku i kadmu. Ponadto, ekspresja genu koduj¹cego pompê jest wzmocniona w obecnoci tych metali w rodowisku [14]. Gen 664 M. MIGOCKA TcHMA4 ulega ekspresji tylko w korzeniach Thlaspi caerulescens, przy czym poziom syntezy mRNA jest wy¿szy ni¿ w przypadku genu AtHMA4 u Arabidopsis. Prawdopodobnie metale, transportowane przez pompê TcHMA4 do naczyñ korzenia, przemieszczaj¹ siê nastêpnie do pêdów, gdzie s¹ akumulowane w wiêkszych ilociach [14]. Poniewa¿ nadekspresja AtHMA4 prowadzi do nagromadzenia Cd i Zn w liciach Arabidopsis [21], uwa¿a siê, ¿e zarówno AtHMA4, jak i TcHMA4 odpowiadaj¹ za daleki transport metali do czêci nadziemnych roliny. Z drugiej strony zaobserwowano wzmo¿on¹ ekspresjê genu TcHMA4 w warunkach niedoboru Zn w rodowisku [14]. W zwi¹zku z tym funkcja TcHMA4 obejmowa³aby nie tylko detoksykacjê komórek z nadmiaru Zn, ale równie¿ utrzymywanie homeostazy Zn w pêdach, co z kolei umo¿liwia rolinie reprodukcjê w warunkach stresowych [14]. Podobnie jak Thlaspi caerulescens, inny hyperakumulator Arabidopsis halleri wykorzystuje pompy metalowe do utrzymania wzglêdnej homeostazy metalowej w komórkach. Wykazano, ¿e poziom ekspresji AtHMA3 jest znacznie wy¿szy u A. halleri ni¿ u A. thaliana w warunkach zarówno ma³ej, jak i du¿ej poda¿y cynku [5]. Konstytutywnie silna ekspresja tego genu mo¿e odpowiadaæ za tolerancjê A. halleri na stres spowodowany nadmiarem lub niedoborem Zn w rodowisku [14]. Dotychczasowe dowody i przypuszczenia dotycz¹ce specyficznoci substratowej rolinnych P1B-ATPaz zebrano w tabeli 1. TABELA 1 . P o d zia ³ wyb ra nyc h P 1B- ATP a z u ro lin i glo nó w p o d wzglê d e m tra nsp o rto wa nyc h me ta li P 1B- ATP a zy Tra nsp o rto wa ne me ta le At HM A5 , At HM A6 , At HM A7 , At HM A8 , O s HM A4 , O s HM A9 , C mHM A2 , C rHM A2 , C rHM A3 , BnRAN 1 , ZmQ 6 JAH7 , S b Q 6 JAG2 , S b Q 6 JAG3 , HvHM A4 , HvHM A5 , HvHM A8 C u+/Ag+ AtHM A2 , AtHM A3 , AtHM A4 , O sHM A2 , O sHM A3 , Tc HM A4 , HvHM A2 , HvHM A3 Zn2+/C d 2+/P b 2+ AtHM A1 , O sHM A1 , C rHM A1 , C mHM A1 , HvHM A1 , HvHM A1 0 , GmO 2 2 4 9 8 C o 2+/Zn2+/C d 2+/P b 2+ N ume ry d o stê p u se k we nc ji w b a nk u ge nó w: d la A ra b id o p sis t h a lia n a : AtHM A4 , O 6 4 4 7 4 ; AtHM A2 , Q 9 S ZW 4 ; AtHM A3 , Q 9 S ZW 5 ; AtHM A1 , Q 5 JZZ1 ; AtHM A5 , Q 9 S H3 0 ; AtHM A6 , Q 9 S ZC 9 ; AtHM A7 , Q 9 S 7 J8 ; AtHM A8 , Q 7 YO 5 1 ; d la Ory za sa t iv a : O sHM A1 , P la ntsT 6 4 4 8 9 ; O sHM A2 , P la ntsT 6 4 4 9 4 , O sHM A3 , P la ntsT 4 4 9 9 ; O sHM A4 , P la ntsT 6 4 5 0 4 ; O sHM A5 , P la ntsT 6 4 5 0 9 ; O sHM A6 , BAD2 5 5 0 8 . 1 ; O sHM A7 , P la ntsT 4 5 1 9 ; O sHM A8 , P la ntsT 6 4 5 2 4 ; O sHM A9 [1 6 ]; d la T h la sp i c a e ru le sc e n s: Tc HM A4 , Q 7 0 LF 4 ; BnRAN 1 , 9 4 1 L1 . N ume ry d o stê p u d la ge nó w G ly c in e m a x, Z e a m a y s i S o rg h u m b ic o lo r o d p o wia d a j¹ p o d a nym w ta b e lc e . N ume ry d o stê p u d la ge nó w C h la m y d o m o n a s re in h a rd t ii i C h . m e ro la e : C rHM A1 _ 1 0 2 2 0 ; C rHM A2 , C _ 6 5 0 0 0 7 ; C rHM A3 , C _ 2 6 0 1 4 7 ; C mHM A1 , C M S 3 3 0 C ; C mHM A2 , C M P 2 1 5 C . S e k we nc je zid e ntyfik o wa ne u Ho rd e u m v u lg a re za mie szc zo no w [2 3 ] ROLINNE POMPY METALOWE (P 1B-ATPazy) 665 PODSUMOWANIE W organizmach rolinnych zidentyfikowano znacznie wiêcej bia³ek nale¿¹cych do podrodziny P1B-ATPaz w porównaniu z dro¿d¿ami i komórkami zwierzêcymi, co wskazywa³oby, ¿e u rolin bia³ka te pe³ni¹ zró¿nicowane funkcje wystêpuj¹c w ró¿nych kompartymentach komórki, tkankach i organach. Coraz wiêcej doniesieñ na temat pierwotnych pomp metalowych u Arabidopsis opisuje ich udzia³ w dostarczaniu niezbêdnych metali do poszczególnych przedzia³ów komórkowych czy organów. Z drugiej strony, w pracach na mutantach Arabidopsis i transformowanych dro¿d¿ach potwierdzono rolê P1B-ATPaz w usuwaniu nadmiaru metali do apoplastu lub wakuoli. Jakkolwiek do tej pory nie potrafimy odpowiedzieæ na szereg istotnych pytañ dotycz¹cych precyzyjnego rozmieszczenia poszczególnych P1B-ATPaz w komórkach i tkankach rolinnych, mechanizmów ich regulacji i specyficznoci substratowej. Pojawi³y siê pierwsze doniesienia dotycz¹ce identyfikacji genów koduj¹cych pompy metalowe u rolin jednoliciennych: kukurydzy, soi i jêczmienia. W zwi¹zku z tym przypuszcza siê, ¿e s¹ to bia³ka powszechne i homologicznie funkcjonalne u wszystkich rolin wy¿szych. Niew¹tpliwie s¹ to transportery o bardzo istotnym znaczeniu dla ¿ycia rolin, ich prawid³owego wzrostu, rozwoju i rozmna¿ania, przez co badania prowadzone w kierunku ich poznania uleg³y znacznej intensyfikacji w ostatnich latach. Bardzo efektywnie spe³niaj¹ swoj¹ rolê u metalofitów, umo¿liwiaj¹c im prze¿ycie w rodowisku skrajnie zanieczyszczonym metalami. Poznanie dok³adnych mechanizmów dzia³ania i regulacji pomp metalowych u tych rolin mo¿e zaowocowaæ w przysz³oci wyprodukowaniem specjalnie skonstruowanych genetycznie gatunków, opornych na wysokie stê¿enia metali b¹d akumuluj¹cych metale ciê¿kie w tkankach, a przez to oczyszczaj¹cych ska¿one nimi gleby. LITERATURA [1] ABDEL-GHANY SE, MULLER-MOULE P, NIYOGI KK, PILON M, SHIKANAI T. Two P-Type ATPases are required for copper delivery in Arabidopsis thaliana chloroplasts. Plant Cell 2005; 17: 12331251. [2] ARNESANO F, BANCI L, BERTINI I, CIOFI-BAFFONI S, MOLTENI E, HUFFMAN DL, OHALLORAN TV. Metalochaperones and metal-transporting ATPases: a comparative analysis of sequences and structures. Genome Res 2002, 12: 255271. [3] AXELSEN KB, PALMGREN MG. Evolution of substrate specificities in the P-type ATPase superfamily. J Mol Evol 1998; 46: 84101. [4] BALANDIN T, CASTRESANA C. AtCOX17, an Arabidopsis homolog of the yeast copper chaperone COX17. Plant Physiol 2002; 129: 18521857. [5] BECHER M, TALKE IN, KRALL L, KRAMER U. Cross-species microarray transcript profiling reveals high constitutive expression of metal homeostasis genes in shoots of the zinc hyperaccumulator Arabidopsis halleri. Plant J 2004; 37: 251268. [6] COX DW, MOORE SDP. Copper transporting P-type ATPases and Human Disease. J of Bioenerg and Biomem 2002; 34: 333338. [7] EREN E, ARGUELLO JM. Arabidopsis HMA2, a divalent heavy metal-transporting PIB-type ATPase, is involved in cytoplasmic Zn2+ homeostasis. Plant Physiol 2004; 136: 37123723. 666 M. MIGOCKA [8] GRAVOT A, LIEUTAUT A, VERRET F, AUROY P, VAVASSEUR A, RICHAUD P. AtHMA3, a plant P(1B)-ATPase, functions as a Cd/Pb transporter in yeast. FEBS Lett 2004; 561: 2229. [9] HALL JL, WILLIAMS LE. Transition metal transporters in plants. J Exp Biol 2003, 54: 26012613. 10] HIMELBLAU E, AMASINO RM. Nutrients mobilized from leaves of Arabidopsis thaliana during senescence. J Plant Physiol 2001; 158: 13171323. [11] HUSSEIN D, HAYDON MJ, WANG Y, WONG E, SHERSON SS, YOUNG J, CAMAKARIS J, HARPER JF, COBBETT CS. P-type ATPase heavy metal transporters with roles in essential zinc homeostasis in Arabidopsis. Plant Cell 2004; 16: 13271339. [12] MILLS RF, KRIJGER GC, BACCARINI PJ, HALL JL, WILLIAMS LE. Functional expression of AtHMA4, a P1B-type ATPase of the Zn/Co/Cd/Pb subclass. Plant J 2003; 35: 164176. [13] MILLS RF, FRANCINI A, FERREIRA DA ROCHA PSC, BACCARINI PJ, AYLETT M, KRIJGER GC, WILLIAMS LE. The plant P1B-type ATPase AtHMA4 transports Zn and Cd and plays a role in detoxification of transition metals supplied at elevated levels. FEBS Lett 2004; 579: 783791. [14] PAPOYAN A, KOCHIAN LW. Identification of Thlaspi caerulescens genes that may be involved in heavy metal hyperaccumulation and tolerance: Characterization of a novel heavy metal transporting ATPase. Plant Physiol 2004; 136: 38143823. [15] RODRIQUEZ F, ESCH J, HALL A, BINDER B, SCHALLER GE, BLEECKER AB. A copper cofactor for the ETR1 receptor from Arabidopsis. Science1999; 283: 996998. [16] ROSAKIS A, KOSTER W. Transition metal transport in the green microalga Chlamydomonas reinhardtii genomic sequence analysis. Res Microbiol 2004; 155: 201210. [17] RUTHERFORD JS, BIRD AJ. Metal-responsive transcription factors that regulate iron, zinc, and copper homeostasis in eukaryotic cells. Eukaryot Cell 2004; 3(1): 113. [18] SOLIOZ M, VULPE C. CPx-type ATPases that pump heavy metals. Trends Biochem 1996; 21: 237 241. [19] SHIKANAI T, MULLER-MOULE P, MUNEKAGE Y, NIYOGI KK, PILON M. PAA1, a P-type ATPase of Arabidopsis functions in copper transport in chloroplast. Plant Cell 2003; 15: 13331346. [20] TOTTEY S, RONDET SAM, BORRELLY GPM, RICH PR, ROBINSON NJ. A copper metallochaperone for photosynthesis and respiration reveals metal-specific targets, interaction with an importer and alternative sites for copper acquisition. J Biol Chem 2002; 277: 54905497. [21] VERRET F, GRAVOT A, AUROY P, LEONHARDT N, DAVID P, NUSSAUME L, VAVASSEUR A, RICHAUD P. Overexpression of AtHMA4 enhances root-to-shoot translocation of zinc and cadmium and plant metal tolerance. FEBS Lett 2004; 576: 306312. [22] WILLIAMS LE, PITTMAN JK, HALL JL. Emerging mechanisms for heavy metal transport in plants. Biochim Biophys Acta 2000; 1465: 104126. [23] WILLIAMS LE, MILLS RF. P1B-ATPases an ancient family of transition metal pumps with diverse functions in plants. Trends Plant Sci 2005; 10: 491502. Redaktor prowadz¹cy Maria Olszewska Otrzymano: 13.06. 2006 r. Przyjêto: 06.09. 2006 r. ul. Kanonia 6/8, 50-328 Wroc³aw, [email protected]
