Ферментативная стабилизация и функция термотолерантности внутренне неупорядоченных белков LEA2 финиковой пальмы

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11878 (2023) Цитировать эту статью

316 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

У финиковой пальмы гены LEA2 изобилуют шестьюдесятью двумя членами, которые почти все распространены повсеместно. Однако их функции и взаимодействие с потенциальными молекулами-мишенями в значительной степени не изучены. В этом исследовании пять генов LEA2 финиковой пальмы, PdLEA2.2, PdLEA2.3, PdLEA2.4, PdLEA2.6 и PdLEA2.7, были клонированы, секвенированы, и три из них: PdLEA2.2, PdLEA2.3 и PdLEA2. .4 были функционально охарактеризованы по их влиянию на термостабильность двух различных ферментов: лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и β-глюкозидазы (bglG) in vitro. В целом PdLEA2.3 и PdLEA2.4 были умеренно гидрофильными, PdLEA2.7 — слегка гидрофобными, а PdLEA2.2 и PdLEA2.6 — ни тем, ни другим. Прогнозирование последовательности и структуры показало наличие участка гидрофобных остатков вблизи N-конца, который потенциально мог бы образовывать трансмембранную спираль в PdLEA2.2, PdLEA2.4, PdLEA2.6 и PdLEA2.7. Помимо трансмембранной спирали, предсказание вторичных и третичных структур показало наличие неупорядоченной области, за которой следует уложенная область β-листа во всех белках PdLEA2. Кроме того, три очищенных рекомбинантных белка PdLEA2 были получены in vitro, и их присутствие в ферментативной реакции ЛДГ повышало активность и уменьшало образование агрегатов ЛДГ при тепловом стрессе. В ферментативных анализах bglG белки PdLEA2 дополнительно продемонстрировали свою способность сохранять и стабилизировать ферментативную активность bglG.

Растения развили сложные регуляторные механизмы, позволяющие противостоять воздействию неблагоприятных климатических условий. Механизмы повышения толерантности к абиотическому стрессу во многом зависят от белковых молекул, которые непосредственно функционируют и регулируют различные физиологические процессы и сигнальные пути растений. Семейство генов белков позднего эмбриогенеза (LEA) представляет собой группу функциональных белков, которые защищают и уменьшают повреждения растительных клеток в условиях абиотического стресса1. Эти белки имеют неупорядоченную структуру и характеризуются повторяющимися мотивами2. На основании мотивов консервативной аминокислотной последовательности белки LEA были разделены на восемь отдельных групп, причем белки LEA2 являются наиболее преобладающей группой в растениях. Первоначально белки LEA2 были обнаружены в больших количествах в зрелых семенах Gossypium hirsutum3 и повсеместно экспрессировались в цветущих и нецветковых растениях4. В основном они накапливаются на поздних стадиях развития семян и в вегетативных тканях в результате реакции растений на ограничения окружающей среды5. Белки LEA2 чрезвычайно гидрофильны и характеризуются как внутренне неупорядоченные белки (IDP), которые могут изменять свою конформацию в ответ на изменения окружающей микросреды6. Среди подсемейства белков LEA2 дегидрины (DHN) представляют собой хорошо известную биохимическую группу, которая в основном состоит из высокой доли заряженных и полярных аминокислот и низкой доли гидрофобных и неполярных остатков7.

Белки LEA2 широко участвуют в физиологических реакциях растений, повышая устойчивость к абиотическому стрессу. Сверхэкспрессия Triticum aestivum L., TaLEA2-1 в пшенице усиливала рост корней, высоту растений и приводила к более высокой активности каталазы по сравнению с проростками дикого типа. TaLEA2-1 обеспечивал улучшенную толерантность к засолению у трансгенных растений пшеницы TaLEA2-15. Кроме того, в недавнем исследовании было обнаружено, что ген LEA2, PtrDHN-3, из Populus trichocarpa, играет важную роль в устойчивости к солевому стрессу и засухе8. Было замечено, что сверхэкспрессия PtrDHN-3 повышала солеустойчивость трансгенных дрожжей, а также улучшала скорость прорастания, сырую массу и содержание хлорофилла в трансгенных растениях Arabidopsis thaliana в условиях солевого стресса8. Кроме того, растения Arabidopsis, трансформированные генами LEA2 хлопка, показали более высокий рост в условиях засухи по сравнению с диким типом9. Более того, у кукурузы был выделен ген DHN KS-типа, ZmDHN13, и его сверхэкспрессия в трансгенных растениях табака повышала толерантность к окислительному стрессу10. В другом исследовании сверхэкспрессия гена LEA2 Prunus mume в трансформированном табаке и кишечной палочке улучшила устойчивость к холодовому стрессу11. Кроме того, сверхэкспрессия двух DRE A. thaliana, AtDREB1A или AtDREB2A, приводила к индукции связанных с холодовым стрессом генов белков LEA2, таких как rd29A и COR4712. В предполагаемых промоторах генов LEA2 высокогорного хлопчатника G. hirsutum было обнаружено несколько цис-элементов, связанных с абиотическим стрессом. Он включал MYBCORE, ABRELATERD1, ABRE-подобную последовательность и элементы ACGTATERD1, которые, как известно, играют функциональную роль в абиотических стрессах13,14. Присутствие этих элементов, способствующих стрессу, убедительно подтверждает роль белков LEA2 в повышении толерантности к абиотическому стрессу у растений, растущих в агрессивных климатических условиях.