Влияние гипотермии на экспрессию генов

Из Arabidopsis thaliana был изолирован геномный фрагмент EcoRI размером 7 kb, которы содержит два тесно связанных dhn/lea/rab-подобных гена - lti29 и cor47 в тандемном оформлении. Для обоих транскриптов показана аккумуляция в ответ на низкотемпературны стресс, обработку экзогенно абсцизово кислото и обезвоживание. Сравнение последовательносте аминокислот транслированных полипептидов показало, что они на 67% идентичны. Рассчитанные молекулярные массы этих полипептидов были 29 кДа для

LTI29 и 30 кДа для COR47. Оба полипептида содержат один консервативны сериновый домен и три богатых лизином повтора, как у DHN/LEA/RAB-подобных белков. Кроме того, как LTI29, так и COR47 имеют N-терминальный кислый повтор, обнаруживаемый только у нескольких среди DHN/LEA/RAB белков. Близкое расстояние между двумя генами и их тандемная организация в геноме A. thaliana, а также общая гомология последовательности области кодирования на нуклеотидном уровне позволяют предположить, что два гена развились путем дублирования. Это, по-видимому, представляет собой общую черту среди зависимых от низкотемпературного стресса генов A. thaliana.

Paldi с соавторами был изучен эффект низко температуры на процессинг рРНК у пшеницы. Две линии пшеницы, использованные в это работе, отличались друг от друга только морозоустойчивостью. В ходе экспериментов было показано, что в случае слабоморозоустойчиво линии количественные и качественные изменения в процессе созревания рРНК произошли как результат де ствия низко температуры. В течение холодово обработки последние предшественники двух стабильных цитоплазматических рРНК накапливались в качестве стабильных фракций рРНК. Это накопление увеличивалось по мере увеличения продолжительности холодовой обработки. В то же время это изменение не было выявлено у линии с хороше морозоустойчивостью. Результаты свидетельствуют, что в слабоморозоустойчивых линиях холодовая обработка имела ингибирующи эффект на последнюю стадию процесса созревания рРНК, то есть при низко температуре этот процесс не может завершиться.

Известно, что тепловая обработка плодов помидора индуцирует также и устойчивость к повреждению от охлаждения. Ранее было показано, что специфические белки теплового шока экспрессируются в нагретых плодах помидора после хранения на холоде. Для поиска индуцируемых теплом генов, экспрессирующихся при низких температурах, была изготовлена, а затем подвергнута дифференциальному скринингу библиотека кДНК из предварительно прогретых, а затем охлажденных плодов помидора. В ходе этих экспериментов был выделен новы клон кДНК, hcit2, кодирующий белок с молекулярно массой 16.5 кДа. Кодируемы им белок содержит три предполагаемых трансмембранных гидрофобных последовательности, что позволяет предполагать, что этот белок локализован в мембранах. Экспрессия hcit2 в плодах индуцировалась высоко температурой, но не иными видами стресса, такими, как, например, низкая температура, засуха или анаэробные условия, и не наблюдалась во время созревания плода. Высокий уровень транскриптов hcit2 был обнаружен в нагретых плодах после 2-х недель хранения при 2⁰C. Высокие температуры также индуцировали экспрессию hcit2 в листьях, цветах и стеблях помидора. Авторы предполагают, что белок HCIT2 может быть вовлечен в процесс приобретения растением устойчивости к повреждению охлаждением.

У ряда лини дикого картофеля были проанализированы динамика холодового закаливания и изменения в транслируемых мРНК во время холодово акклиматизации. Перед низкотемпературно обработкой все линии были полностью закалены в течение восьми дне при 4⁰C. Наиболее холодостойкая линия 1 усилила холодостойкость от -3,2⁰C до - 8,9⁰C, а наименее холодостойкая линия 10 увеличила свою холодостойкость от -2,5⁰C до -6,5⁰C. В ходе исследований были изолированы поли-РНК из закаленных и незакаленных растений лини 1 и 10 и продукты их трансляции in vitro были разделены двумерным-PAGE-электрофорезом. Анализ профилей продуктов трансляции in vitro закаленных растений линии 1 обнаружил изменения в содержании приблизительно 31 продукта в области молекулярных весов от 14 до 69 кДа и pI в районе от 6,7 до 5,0. Содержание 26 продуктов во время холодно акклиматизации повышалось, а двух других белков - уменьшалось. Во время, когда растения подвергались низкотемпературному стрессу, было возможно идентифицировать вновь образующиеся продукты трансляции - три с мол. массами около 18 кДа и два с мол. массами около 45 кДа. Большинство продуктов, содержание которых изменялось в течение холодовой акклиматизации, было обнаружено в группе низкомолекулярных белков с молекулярными массами от 14 до 21 кДа и от 24 до 35 кДа. В менее устойчиво линии 10 в течение холодовой акклиматизации изменялось содержание только 19 продуктов трансляции, и в ней не было отмечено вновь образующихся продуктов. Все изменения в продуктах трансляции в обеих линиях появлялись после двух дне холодовой обработки, когда морозоустойчивость линий еще повышалась.

Таким образом, к настоящему времени накоплено большое количество данных об отдельных индуцируемых низкой температурой генах у различных видов растений. Особенно большой объем данных в настоящее время получен в связи с проводимым полным сиквенсом генома Arabidopsis thaliana. В то же время необходимо отметить, что, несмотря на обилие данных о влиянии низко температуры на экспрессию генов в растениях, эти исследования проводятся отрывочно и бессистемно. В основном, полученные данные говорят об индукции экспрессии определенных генов низко температурой. В то же время данные о взаимосвязи экспрессии различных генов при низкотемпературном стрессе крайне ограничены. Все же из рассмотренных выше данных можно сделать вывод, что, хотя по сравнению с «нормальными» температурными условиями содержание ДНК при гипотермии меняется незначительно, в то же время гипотермия вызывает значительные изменения в экспрессии генов на уровне транскрипции. При низкотемпературном стрессе и в процессе низкотемпературно адаптации у разных исследованных видов индуцируется экспрессия ряда генов, некоторые из которых являются видоспецифичными. В то же время выделено несколько семейств генов, которые индуцируются в ответ на низкотемпературны стресс у многих из исследованных видов. Установлено, что многие из экспрессирующихся при низко температуре генов индуцируются также в ответ на обработку экзогенно абсцизово кислото и засуху. Индукция некоторых генов является общим неспецифическим ответом организма на стресс, так как они индуцируются всеми изученными видами абиотического и биотического стресса. Поскольку установлено, что низкотемпературны стресс вызывает изменения экспрессии генов на уровне транскрипции, можно пере ти к рассмотрению результатов, полученных при изучении его влияния на уровне трансляции.