«Наука в Сибири» № 23 (2509) 10 июня 2005 г. ЭТИ ЗАГАДОЧНЫЕ СТРЕССОВЫЕ БЕЛКИ Клетки всех организмов, от бактерий, животных до человека, реагируют на неблагоприятные условия окружающей среды, включая защитные природные механизмы — экспрессию определенных генов. В результате появляются белки, которые условно называются стрессовыми. Разгадка механизмов их действия дает ключ к пониманию процессов жизни. Галина Киселева, «НВС» О том, что сегодня известно о стрессовых белках растений рассказывает заместитель директора по научной работе Сибирского института физиологии и биохимии растений доктор биологических наук Геннадий БОРОВСКИЙ. Что такое стрессовые белки Стрессовые белки есть почти у всех организмов, которые существуют на Земле, — и у простейших бактерий, и у человека. Часто они схожи между собой. Это говорит о том, что эти белки появились в те незапамятные времена, когда предки млекопитающих, грибов и растений были одним или близкородственными видами. Сегодня изучены уже многие тайны их существования, но остается еще немало загадок. Наш институт имеет приоритеты в изучении белков холодового шока. Как известно, первоначально были открыты белки теплового шока (БТШ). Лаборатория физиологической генетики, которую более 20 лет возглавляет профессор Виктор Войников, ныне директор СИФИБРа, тоже начала с изучения БТШ. Но, изучая холодоустойчивость растений нашего северного региона, мы обнаружили, что ряд их физиологических и биохимических параметров сильно меняется в ответ на то или иное стрессовое воздействие. Затем мы выявили, что индуцированные холодом белки связываются с митохондрией («энергетической станцией» клетки, отвечающей за ее жизнедеятельность) и играют протекторную роль. Одними из первых мы показали, что в ответ и на повышение, и на понижение температуры происходит синтез новых стрессовых белков. Впоследствии эти работы были развиты и у нас, и за рубежом. Сейчас в нашей лаборатории изучаются в основном стрессовые белки холодового шока и белки, связанные с приспособлением к холоду. За рубежом их называют «cold regulated proteins» — «белки, регулируемые холодом», что не совсем точно. Эти белки можно разделить на две группы: те, которые быстро реагируют на холод, и те, которые способствуют адаптации растений к новым условиям. Исследованы они были на холодочувствительных растениях, например, кукурузе, и на хорошо адаптирующихся — озимых пшенице, ржи. Внимание было сфокусировано на нескольких группах белков. Белок, согревающий клетку Белок БXШ310 был обнаружен в озимой пшенице и ржи. Приоритет открытия — за нашей лабораторией. В результате длительного изучения удалось выяснить его структуру и функции. Оказалось, что важная задача белка — разобщение, окисление и фосфолирование в митохондриях. Каждая клетка дышит кислородом, окисляя свои органические соединения, чтобы получить энергию в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Выяснилось, что при холодовом и других стрессах окисление происходит, но АТФ синтезируется меньше, чем в обычных условиях — происходит так называемое разобщение дыхания (окисление органических веществ) и фосфорилирования (т.е. синтеза АТФ). Сначала мы думали, что это патологический процесс. Но оказалось, что он ведет к очень полезным для клетки явлениям, в частности, снижает количество активных форм кислорода. Тот кислород, которым мы дышим, практически безопасен, но в процессе дыхания (это общая черта всех дышащих организмов) образуется активная его форма (до 2-3% от всего количества использованного кислорода), которая повреждает все, что есть в клетке — мембраны, белки, наследственный аппарат. Она и является одной из основных причин как быстрой гибели клетки, так и долговременных последствий, например, старения. При стрессе количество активных форм кислорода резко возрастает. Выяснилось, что разобщение, в котором участвует БХШ310, резко снижает количество активного кислорода, защищает клетку. Та энергия, которая не используется для синтеза АТФ, выделяется в виде тепла — растение «греется». Для некоторых растений это серьезное подспорье, разница температур между нагревающимся органом и окружающей средой может достигать десяти и более градусов. Такие растения называют термогенными, и это немногочисленная группа. Зато процесс термогенеза очень распространен у животных. В тот момент, когда живое существо пробивает дрожь, как раз и идет термогенез. Нетермогенные растения тоже выделяют тепло при снижении температуры, «согреваются», но незначительно, примерно на 1-2 градуса. Но для них и это важно, поскольку создается тот градиент температур, который предотвращает кристаллизацию воды и дает клетке возможность более медленно пройти фазы адаптации. Особенно важен термогенез при заморозках, когда разница температур в 1-2 градуса на несколько часов может спасти растения и сохранить урожай. Механизмов термогенеза у растений несколько и в них участвуют различные белки. В нашем институте изучаются все известные на сегодня механизмы. Защита от обезвоживания Другие белки — дегидрины, были так названы потому, что их количество резко увеличивается при дегидратации — обезвоживании. В какой-то момент жизни клетка начинает терять влагу. Это может быть естественным процессом при формировании семян, например, или при подготовке к зиме — вода в межклетниках замерзает, кристаллы льда растут и оттягивают на себя жидкость из клетки. При потере влаги происходит слипание мембран и повреждение жизненно важных белков. Дегидрины встраиваются в мембраны, и температура фазового перехода значительно снижается. Дело тут в особенности строения дегидринов — в них много гидрофильных аминокислот, которые держат на себе большую «водную подушку». Они взаимодействуют с другими молекулами и заменяют воду, которая уходит из клетки. В процессе защиты участвуют также и другие молекулы, например, сахара. Но роль дегидринов, которая была открыта недавно, очень существенна. Нам удалось обнаружить ассоциацию, связывающую дегидрины с митохондриями, и определить, что они осуществляют протекторную функцию. Была показана локализация этих белков и установлено, что белки разных растений накапливают в митохондриях одинаковые дегидрины, в каких-то их больше, в каких-то — меньше. Разницей в накоплении дегидринов часто объясняется разная устойчивость растений к низкой температуре и засухе. Эти белки накапливаются также в ответ на солевой и осмотический стресс. Интересно, что осенью, несмотря на достаточно большую увлажненность, идет процесс накопления дегидринов. Очевидно, это определяется не только внешними, но и внутренними причинами. И понять сами механизмы, значит, понять регуляцию процессов адаптации в организме. Кроме дегидринов, мы изучали несколько других белков, которые относятся к данному классу. Это белки, которые активируются гормоном стресса. Выяснилось, что один из них тоже связан с митохондриями. Для чего способствовать замерзанию Известны белки-антифризы, которые предотвращают образование кристаллов льда в клетке и понижают температуру его образования. Но существуют, оказывается, и белки-нуклеаторы, способствующие замерзанию. Для чего они нужны растению? Выяснилось, что нуклеаторы синтезируются некоторыми растениями и экспортируются наружу, потому что растению «выгодно», чтобы лед образовался на поверхности, а не внутри клетки. Схема действия защитных белков такова: при подготовке к зиме накапливаются дегидрины, разобщающиеся белки и разные антиоксидантные ферменты, уменьшающие повреждения, снаружи в межклетниках накапливаются нуклеаторы, а внутри — антифризы. Фантастически интересная и сложная защита! Дегидрины у животных не образуются, но общая схема адаптации во многом похожа, особенно у теплокровных. Овладеть механизмами борьбы организма со стрессами, процессами адаптации — мечта человечества. Мы пока только ищем подходы. Делаются попытки создать интегрирующую схему, поскольку функционирование какого-то одного белка и даже группы белков, как правило, не ведет к изменению устойчивости организма в целом. Нужно представлять координированное действие многих групп белков. В нашем рассказе не затронуты другие виды стресса — биотический (вызванный патогенными грибами, вирусами или бактериями), солевой, стресс, вызванный тяжелыми металлами или загрязнением среды. Однако вопросы устойчивости ко всем этим повреждающим факторам имеют сходные моменты, и во многом связаны с деятельностью стрессовых белков. Подобное координирование усилий необходимо и на другом уровне, на уровне активности групп исследователей. И несмотря на то, что работы на клеточном уровне проводить сейчас в России очень сложно — нет оборудования, не хватает денег на дорогостоящие реактивы, мы продолжаем продвигаться вперед. стр. 5