Wpływ zmiany białka roślinnego na stres wodny
Zmiana klimatu ma katastrofalny wpływ na florę, wywołując upały, susze i powodzie. Według wyników jednego z badań(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zasięg występowania wybranych roślin może spaść nawet o 90 % - może to dotyczyć nawet 16 % wszystkich gatunków roślin. Rezultatem jest wysokie ryzyko wyginięcia. Nie jest to jednak przesądzone. Dzięki przystosowaniom ewolucyjnym rośliny mogą zwiększyć swoje szanse na przetrwanie. Mogą to zrobić na przykład wykorzystując białko receptorowe PYL1. „Wykrywając kwas abscysynowy – hormon roślinny, który gromadzi się w okresie niedoboru wody – receptor ten może pomóc roślinie przystosować się do suszy”, wyjaśnia Max Stammnitz, naukowiec zatrudniony w Centrum Regulacji Genomu(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Ten mechanizm stanowi tylko jeden z przykładów wykorzystywania przełączników molekularnych przez rośliny, by lepiej reagować na zmieniające się warunki środowiskowe. „Choć wiele układów biologicznych opiera się na przełącznikach molekularnych, wciąż nie rozumiemy w pełni, w jaki sposób ich właściwości związane z przetwarzaniem sygnałów są zakodowane w sekwencji białkowej”, dodaje Stammnitz. Dzięki wsparciu finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu DeepGlue Stammnitz postanowił to sprawdzić. „Chcieliśmy dowiedzieć się, w jaki sposób mutacje wpływają na działanie allosterycznych receptorów hormonalnych, czyli białek przekształcających sygnały chemiczne w reakcje komórkowe”, dodaje. W ramach projektu, który uzyskał wsparcie ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), badacze zastosowali podejścia doświadczalne, które pozwoliły na określenie ilościowe wpływu tysięcy mutacji na całościowy profil zależności dawka-odpowiedź receptora. Łącznie badacze zgromadzili przeszło 40 000 pomiarów ilościowych, co pozwoliło na opracowanie niemal kompletnej mapy pokazującej wpływ zmian w sekwencji aminokwasów na funkcję aktywacyjną receptora.
Wpływ mutacji na działanie białka receptorowego
Na podstawie tych badań naukowcy odkryli, że niemal 90 % mutacji wpływało na zależność dawka-odpowiedź receptora hormonalnego PYL1, często zmieniając jego wrażliwość, aktywność podstawową oraz maksymalną reakcję. Badacze ustalili także, że wiele z tych zjawisk można wyjaśnić zmianami w stabilności białek receptorowych. „Wykazaliśmy, że mutacje mogą wpływać nie tylko na samo działanie białka receptorowego, ale także na jego reakcje w zależności od stężenia induktora chemicznego”, zauważa Stammnitz. W ramach projektu zespól ustalił ponadto, że poza wpływem na stabilność białka poszczególne parametry sygnalizacyjne mogą być regulowane niezależnie, w tym poprzez mutacje allosteryczne występujące z dala od miejsca wiązania białka z hormonem. Jednym z istotnych wniosków jest to, że rzadkie zamiany pojedynczych aminokwasów również powodowały pojawienie się nowych zachowań, w tym odwróconych funkcji aktywacji oraz funkcji zatrzymujących aktywację. Więcej szczegółów na temat rezultatów tych badań można znaleźć w artykule opublikowanym na łamach czasopisma naukowego „Nature Communications”(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Wpływ badań na rozwój rolnictwa odpornego na skutki zmiany klimatu
Zdaniem Stammnitza zespół projektu DeepGlue dowiódł teoretycznie, że przełączniki białkowe nie są sztywnymi mechanizmami - mogą być układami podatnymi na zmiany ewolucyjne, których zachowanie ilościowe można w istotnym stopniu zmieniać poprzez mutacje. „Rezultatem naszych badań są swoiste ramy teoretyczne i zbiór danych niezbędnych do projektowania receptorów allosterycznych oraz do interpretacji wpływu zmienności sekwencji genetycznych na sygnalizację komórkową”, zauważa badacz. Ramy te mogą okazać się szczególnie interesujące dla sektora rolnego, ponieważ mogą umożliwić rolnikom skuteczną uprawę roślin odpornych na skutki zmiany klimatu. „Wielu przedstawicieli środowisk akademickich i przemysłu na całym świecie już teraz stara się lepiej zrozumieć reakcje molekularne i wykorzystać je w kontekście walki ze skutkami zmiany klimatu”, podsumowuje Stammnitz. Zespół zajmuje się obecnie rozszerzaniem zakresu doświadczeń dzięki wykorzystaniu metody głębokiego skanowania mutacji, aby porównać zależności dawka-odpowiedź zmutowanych roślin w kilku układach białkowych indukowanych chemicznie.
