Особливості просторової структури тубуліну як основа клітинної відповіді рослин на дію гербіцидів динітроанілінового та фосфороамідного рядів

3. Ныпорко А. Ю., Блюм Я. Б. Моделирование и анализ пространственной структуры молекул -тубулина высших растений // Доповіді НАН України. - 2002. - № 1, - С. 175-179.

4. Ныпорко А. Ю., Емец А.И., Климкина Л.А., Блюм Я. Б. Взаимосвязь чувствительности каллуса Eleusine indica к трифлюралину и амипрофосметилу с особенностями взаимодействия этих соединений с тубулином // Физиология растений. - 2002. - Т. 49. - С. 459-466.

5. Ныпорко А. Ю., Живолуп А. Н., Блюм Я. Б. Сравнительный анализ первичной структуры мутантных тубулинов, устойчивых к антимикротрубочковым соединениям, для предсказания позиций новых мутаций с аналогичными свойствами // Цитология и генетика. - 2003. - Т. 37. - С. 69-78.

6. Blume Ya.B., Nyporko A.Yu., Yemets A.I., Baird W.V. Structural modeling of plant б-tubulin interaction with dinitroanilines and phosphoroamidates // Cell Biol. Int. - 2003. - V. 27. - P. 171-174.

7. Nyporko A.Yu., Demchuk O.N., Blume Ya.B. Cold adaptation of plant microtubules: structural interpretation of primary sequence changes in a highly conserved region of -tubulin // Cell Biol. Int. - 2003. - V. 27. - P. 241-243.

8. Ныпорко А. Ю., Демчук О. Н., Блюм Я. Б. Анализ структурных особенностей -тубулина растений, обеспечивающих повышенную устойчивость к холоду // Цитология и генетика. - 2003. - Т. 37- № 6. - С. 3-11.

9. Nyporko A. Yu. Three-dimensional structure of plant tubulins // Abstr. of XVI International Botanical Congress (August 1-7, 1999, st. Louis, USA), - St. Louis, 1999. - P. 665.

10. Ныпорко А. Ю., Блюм Я. Б. Идентификация и анализ сайтов взаимодействия молекул тубулина растений с высокоспецифичными лигандами // Тезисы конференции “Цитоскелет и клеточная регуляция” (Пущино, Россия, 11-12 мая 2000). - Пущино, 2000. - С. 27.

11. Емец А.И., Ныпорко А. Ю., Блюм Я. Б. Механизмы динитроанилин-устойчивости у высших растений // Материалы II международной научной конференции “Биотехнология в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии” (18-19 октября 2000, Москва, Россия) - Москва, 2000. - С. 121-122.

12. Ныпорко А. Ю., Блюм Я. Б. Особенности пространственной структуры молекул тубулина растений // Тези доповідей VII Конференції молодих вчених “Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття” (18-20 жовтня, 2000, Київ, Україна) - Київ, 2000. - С. 86.

13. Nyporko A.Yu., Yemets A.I., Klimkina L.A., Blume Ya.B. Identification and analysis of interactive sites of plant tubulin for dinitroanilines and phosphoroamidates // Mol. Biol. Cell - 2000. - V. 11. - P. 190a.

14. Nyporko A.Yu., Yemets A.I., Blume Ya. B. Three-dimensional reconstruction of interactive sites of plant б-tubulin for dinitroanilines and phosphoroamidates // Abstr. of 16^th European Cytoskeleton Forum Meeting (August 22-26, 2001, Maastricht, the Netherlands) - Мaastricht, 2001. - P. 30.

15. Nyporko A.Yu. Investigation of spatial-specific properties of plant tubulins // Abstr. of of Conference for students, PhD and young scientists on Molecular Biology and Genetics, dedicated to the establishment of Ukraine Society for molecular biology (September 20-22, 2001, Kyiv, Ukraine) - Kyiv, 2001. - P. 61.

16. Blume Ya.B., Nyporko A.Yu., Yemets A.I. Development of gene transfer approaches for creating of dinitroaniline resistant crops // Abstr. of Bulgarian-Ukrainian Seminar on Plant Biotechnology, (September 24-28, 2001, Lessidren, Bulgaria) - Lessidren, 2001.

17. Blume Ya.B., Nyporko A.Yu., Yemets A.I. Modified plant tubulin genes - a novel system for transgenic plant selection: mode of action and ecologically safety // Abstr. of Int. Symposium “Biotechnology Approaches for Exploitation and Preservation of Plant Resources” (May 26-31, 2002, Yalta, Ukraine) - Yalta, 2002. - P. 90.

18. Blume Ya.B., Nyporko A.Yu., Yemets A.I., Baird W.V. Are earlier predicted sites of different plant tubulins involved in interaction with dinitroanilines? // Mol. Biol. Cell - 2002. - V. 13. - P. 463a.

19. Yemets A. I, Radchuk V V., Nyporko A. Y., Bayer G.Ya., Pakhomov A.V., Blume Ya.B. Novel selection system for transgenic plants based on altered tubulin genes conferring resistance to dinitroanilines // Abstr. of Ukrainian-UK Workshop on Plant Biotechnology “Biotech Approaches to Engineering Plant Growth” (March, 14-16, 2004, Yalta Ukraine) - Yalta, 2004 - P.41.

20. Ныпорко А. Ю., Блюм Я. Б. Анализ особенностей структуры участков различной степени консервативности молекул тубулинов растительного происхождения // Актуальні проблеми ботаніки та екології. - Вип. 9. - Матеріали конференції молодих вчених-ботаніків - Канів, 7-10 вересня 2004. - С. 170-172.

21. Yemets A. I., Nyporko A. Y., Swire-Clark G., Baird W. V., Blume Y. B. Mechanisms of plant resistance to dinitroanilines and phosphoroamidates based on в-tubulin mutations // Abstracts of XVII International Botanical Congress (July 17-23, 2005, Vienna, Austria) - Vienna, 2005 - P.292.

АНОТАЦІЇ

Нипорко О.Ю. Особливості просторової структури тубуліну як основа клітинної відповіді рослин на дію гербіцидів динітроанілінового та фосфороамідного рядів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.11 - цитологія, клітинна біологія, гістологія. - Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, Київ, 2005.

У роботі відтворено просторову структуру тубулінів рослинного походження та досліджено її особливості, які обумовлюють характер клітинної відповіді рослин на дію динітроанілінових та фосфороамідних гербіцидів. Показано, що тубулінам взагалі і тубулінам рослин зокрема властива метастабільність вторинної структури, яка може бути одним з ключових факторів, що забезпечують динамічні властивості мікротрубочок у живій клітині. На поверхні і -тубулінів росли ідентифіковано сайти специфічної взаємодії з динітроаніліновими та фосфороамідними гербіцидами, що розташовуються відповідно на поверхнях інтер- та інтрадимерного контактів і мають спільну складову компоненту - позитивно заряджену порожнину, яка зв'язує нітрогрупу гербіцидів. Але при цьому їх амінокислотний склад і локалізація на та -субодиницях не співпадають, що обумовлено індивідуальними відмінностями в складі останніх. Виявлено, що просторова структура поверхонь інтердимерних контактів є критичним фактором при відповіді рослинної клітини на стреси цілком різної природи (холод та гербіциди). Показано, що мутації по - та -тубуліну, які обумовлюють стійкість до динітроанілінових та фосфороамідних гербіцидів, мають різну ефективність завдяки різниці в доступності сайтів на поверхні і -тубулну. Виявлено основні закономірності розташування мутацій, що обумовлюють стійкість до речовин, які деполімеризують мікротрубочки.

Ключові слова: тубулін рослин, особливості просторової структури, специфічна взаємодія, стійкість до речовин, що деполімеризують мікротрубочки, динітроанілінові та фосфороамідні гербіциди, клітинна відповідь на стрес.

Ныпорко А. Ю. Особенности пространственной структуры тубулина как основа клеточного ответа растений на действие гербицидов динитроанилинового и фосфороамидного рядов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.11 - цитология, клеточная биология, гистология. - Институт клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины, Киев, 2005.

В работе впервые была реконструирована пространственная структура , и тубулинов растительного происхождения и проанализированы её особенности, обеспечивающие клеточный ответ растений на воздействие динитроанилиновых и фосфороамидных гербицидов. Эти вещества с высокой эффективностью связываются с тубулином растений, что приводит к деполимеризации микротрубочек в растительной клетке, и в то же время не способны взаимодействовать с тубулином животного происхождения, несмотря на высокую консервативность надсемейства тубулинов и чрезвычайно высокий уровень гомологии их аминокислотных последовательностей.

В ходе работы установлено, что при единстве общего плана пространственного строения и типа упаковки каждый конкретный тубулин характеризуется индивидуальным количеством и длиной элементов вторичной структуры, что определяется не только аминокислотными последовательностями исследуемых белков, но и в немалой степени зависит от пространственного микроокружения остатков, образующих эти элементы. Также впервые показано, что тубулинам как растительного, так и животного происхождения свойственна метастабильность вторичной структуры во времени (переход остатков, образующих спиральные и складчатые элементы, в неупорядоченные структуры и обратно), которая может выступать одним из ключевых факторов, обеспечивающих динамические свойства микротрубочек в живой клетке. Более низкий уровень метастабильности -тубулинов растений по сравнению с - и -тубулинами (53% против 56%) может быть обусловлен клеточной ролью этих белков как основных структурных компонентов центров организации микротрубочек. Интересным выявился тот факт, что для глобулярных частей - - и -тубулинов любого происхождения характерно структурное единство - структура участков тубулинов, состоящих из консервативных, гомологичных и отличных остатков не несёт признаков существенной разницы, что обеспечивает ответ тубулинов как единого целого на воздействие любого характера.

На поверхности молекул - и -тубулинов растительного происхождения идентифицировано расположение сайтов взаимодействия с динитроанилиновыми и фосфороамидными гербицидами. Показано, что соответствующие сайты взаимодействия располагаются на поверхности интердимерного контакта в случае -субъединицы тубулина и на поверхности интрадимерного контакта в случае -субъединицы тубулина. Выявлено, что основным структурным компонентом этих сайтов связывания является положительно заряженная полость на поверхности молекулы, в состав которой входит остаток диаминовой аминокислоты и которая служит для связывания действующего компонента гербицидов - нитрогруппы, присоединенной к бензольному кольцу. Мутации, вызывающие повышение устойчивости к исследуемым соединениям, вызывают полное или частичное закрытие этой полости. Разница в антимитотической эффективности отдельных представителей динитроанилинов и фосфороамидов обусловлена индивидуальными особенностями их пространственной структуры.

Важным выявился тот факт, что мутация в позиции 268 растительного -тубулина, вызывающая повышение уровня устойчивости к динитроанилиновым и фосфороамидным гербицидам, совпадает с позицией замены, которая обеспечивает повышенную холодоустойчивость. Таким образом, мы можем с высокой долей вероятности можем утверждать, что структура поверхности интердимерного контакта -тубулина растений играет критическую роль в обеспечении стойкости к стресс-факторам вполне разной природы.

Сайты на поверхности - и -субъединиц не совпадают между собой, что обусловлено индивидуальными отличиями в составе соответствующих тубулинов. Сайт на поверхности -тубулина образовано остатками Arg2, Gln133, Arg243, Asn249, Val250, Asp251, Val252, Asn253, Glu254, сайт на поверхности -тубулина - остатками Leu246, Asn247, Ala(Ser)248, Asp249, Lys252, Leu253, Val255, Asn256, Lys350 (Ser351, Thr352). Разница в сродстве динитроанилинов и фосфороамидов к - и - субъединицам является незначительной, а существенное отличие в эффективности мутаций по - и -субъединицам, повышающих устойчивость к этим соединениям, обусловлена разницей в доступности поверхностей интердимерного и интрадимерного контакта для атаки молекулой гербицида.

Выявлены общие закономерности расположения мутаций, вызывающих повышение устойчивости к веществам, деполимеризующим микротрубочки - приуроченность к контактным поверхностям, принадлежность к консенсусным позициям внутри конкретного семейства тубулинов и локализация не далее шестого остатка от аминокислоты, вовлеченной в образование поверхностей продольных контактов. Эти закономерности могут быть базовым критерием для поиска новых мутаций с аналогичной активностью и для получения устойчивых к антимикротрубочковым веществам линий растений путём сайт-направленного мутагенеза.

Ключевые слова: тубулин растений, особенности пространственной структуры, специфическое взаимодействие, устойчивость к веществам, деполимеризующим микротрубочки, динитроаналиновые и фосфороамидные гербициды, клеточный ответ на стресс.

Nyporko A. Yu. The features of spatial structure of tubulin as background of plant cell response on the influence of dinitroaniline and phosphoramidate herbicides. - Manuscript.

The Thesis for Philosophy Doctor Degree in Biology, specialty 03.00.11 - cytology, cell biology, histology. - Institute of Cell Biology and Genetic Engineering of NAS of Ukraine, Kyiv, 2005.

The spatial structure of plant tubulins was reconstructed and its features, that are conditioned the character of cell response of plants on the influence of dinitroaniline and phosphoramidate herbicides, were investigated in the thesis. It was shown the metastability of secondary structure is proper for tubulin at all and for plant tubulin in particular, that can be one of key factors providing dynamic properties of microtubules in living cell. On the surface of and -tubulins it was identified the sites of specific interaction with dinitroaniline and phosphoramidate herbicides, that are arranged on the surfaces of inter- and intradimer contacts and have common component - positively charged cavern binding the herbicide nitrogroup. But at that their amino acid composition and localization on and -subunits don't coincide, that is conditioned by individual differences in tubulin composition. It was shown the structure of interdimer contact surface is critical factor in plant cell response to stresses of different identity (cold and herbicides). It was revealed that mutations in and -tubulin conditioning the resistance to dinitroaniline and phosphoramidate herbicides have different effectiveness due to the distinction in site accessibility on the surface of and -tubulin. It was revealed the main regularities, witch condition the resistance to substances that depolymerize microtubules.

Key words: plant tubulin, features of spatial structure, specific interaction, resistance to substances depolymerizing microtubules, dinitroaniline and phosphoramidate herbicides, cell response to stress.

Размещено на Allbest.ru