Regulacja ekspresji genów kodujących białka uczestniczące

Jagna Chmielowska-Bąk
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Biologii, Instytut Biologii
Eksperymentalnej, Zakład Ekofizjologii Roślin
Stypendystka projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Regulacja ekspresji genów kodujących białka uczestniczące
w szlakach przekazywania sygnałów w siewkach soi
(Glycine max L.) traktowanych kadmem
Zanieczyszczenie środowiska substancjami toksycznymi takimi jak kadm stanowi
poważny problem współczesnego świata. W przypadku roślin ekspozycja na kadm prowadzi
do zahamowania wzrostu, zaburzeń w procesach fotosyntezy, indukcji stresu oksydacyjnego,
uszkodzeń białek i DNA oraz inicjacji programowanej śmierci i nekrozy. Wymienione
zaburzenia prowadzą do obniżenia plonu. Co ważniejsze zakumulowane w roślinach kadm
może poprzez łańcuch pokarmowy trafiać do organizmów ludzi, co z kolei może prowadzić
do rozwoju wielu chorób takich jak nowotwory, schorzenia nerek, kości i układu nerwowego.
Najwcześniejszą reakcją roślin na obecność kadmu w środowisku jest aktywacja szlaków
przekazywania sygnałów, które prowadzą do mobilizacji mechanizmów obronnych. Celem
niniejszej pracy jest kompleksowe zbadanie szlaków sygnalnych zaangażowanych w
przekazywanie sygnału kadmowego w jednym gatunku rośliny – soi.
Przeprowadzone badania obejmują pomiary ekspresji piętnastu genów powiązanych
z różnymi szlakami przekazywania sygnałów w młodych siewkach soi narażonych na
działanie roztworów kadmu w dwóch stężeniach (10 mg L-1 i 25 mg L-1) przez krótkie okresy
czasu (3, 6 i 24 godziny).
Uzyskane w ramach pracy doktorskiej wyniki pokazują, że kadm indukuje ekspresję
genów kodujących białka zaangażowane w metabolizm etylenu (syntazę kwasu 1aminocyklopropano-1-karboksylowego - ACS), generowanie tlenku azotu (reduktazę
azotanową – NR), kaskady kinaz aktywowanych mitogenami (MAPKK2) i regulację ekspresji
innych genów (czynniki transkrypcyjne DOF1, MYBZ2 i bZIP62). W dalszych badaniach
wykazano, że wzrost ekspresji genu ACS jest skorelowany z indukcją biosyntezy etylenu, a
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
indukcja ekspresji genu NR ze wzrostem aktywności reduktazy azotanowej. W ramach pracy
doktorskiej przeprowadzono również bioinformatyczne analizy sekwencji promotorowych
genów indukowanych przez kadm. Wykonane analizy wykazały, że ekspresja tych genów
może być regulowana także przez inne czynniki stresowe oraz przez dwa hormony roślinne:
etylen i kwas abscysynowy.
Ostatni etap pracy badawczej obejmował określenie wpływu wybranych cząsteczek
sygnalnych na ekspresję genów indukowanych przez kadm. Dane literaturowe sugerują, że
w odpowiedzi roślin na działanie tego metali ciężkiego uczestniczą takie cząsteczki jak
reaktywne formy tlenu (RFT), tlenek azotu (NO) i etylen. Ponadto uważa się, że przy
krótkotrwałym stresie kadmowym głównym źródłem RFT jest zlokalizowany w błonie
komórkowej enzym generujący anionorodnik ponadtlenkowy - oksydaza NADPH. Wyniki
doświadczeń wykazały, że zmiatacz tlenku azotu (PTIO), inhibitor NADPH oksydazy (DPI) i
inhibitor syntezy etylenu (CoCl2) modulują ekspresję genów indukowanych przez kadmu.
Ponadto PTIO i CoCl2 wpływały na przeżywalność komórek siewek soi traktowanych
chlorkiem kadmu. Co ciekawe w danym układzie doświadczalnym CoCl2 nie hamował w
znaczący sposób syntezy etylenu, co sugeruje, że związek ten wpływa na odpowiedź soi na
działanie kadmu w inny sposób.
Podsumowując, w ramach realizowanej rozprawy doktorskiej wyodrębniono szereg
elementów zaangażowanych w przekazywanie kadmowego sygnału w siewkach soi. Należą
do nich etylen, tlenek azotu, kinazy aktywowane mitogenami oraz czynniki transkrypcyjne
DOF1,
MYBZ2
i
bZIP62.
Uzyskane
wyniki
mogą
posłużyć
do
zaproponowania
kompleksowego modelu sieci sygnalnych aktywowanych przez kadm w roślinach i
przyczynią się do lepszego poznania mechanizmów prowadzących do uzyskiwania przez
rośliny odporności na ten metal ciężki, co z kolei może być przydatne w dynamicznie
rozwijającej się technice odkażania zanieczyszczonych obszarów przy zastosowaniu roślin –
fitoremediacji.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Ryc.1: Schemat podsumowujący wyniki uzyskane w ramach rozprawy doktorskiej.
W przeciągu pierwszych sześciu godzin traktowania roztworem kadmu dochodzi do indukcji, za
pośrednictwem tlenku azotu, ekspresji genów kodujących syntazę kwasu 1-aminocyklopropano-1karboksylowego (ACS), kinazę kinazy aktywowanej mitogenami (MAPKK2) i czynniki transkrypcyjne
DOF1 i MYBZ2. Wzrost ekspresji genu ACS prowadzi do wzrostu biosyntezy hormonu roślinnego –
etylenu. Generowane przez oksydazę NADPH reaktywne formy tlenu hamują indukcję genów
kodujących czynniki transkrypcyjne DOF1 i MYBZ2.
W późniejszych godzinach trwania stresu nadal wzrasta ekspresja genów kodujących ACS i MYBZ2.
Ponadto dochodzi do indukcji genu kodującego reduktazę azotanową, która może być zaangażowana
w produkcję tlenku azotu oraz genu kodującego czynnik transkrypcyjny bZIP62. Nadal indukowana
jest również biosynteza etylenu. Schemat wykonany przez Jagnę Chmielowską-Bąk.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego