Popísanie mechanizmu fungovania veľkého mnoho-doménového membránového proteínu – DEFECTIVE KERNEL1 (DEK1), významne prispeje k pochopeniu kľúčových princípov kontroly vývinu rastlín so širokými implikáciami pre biotechnológie a poľnohospodárstvo. Vedci pracujú na molekulárnom mechanizme, ktorý je nevyhnutný pre určenie a udržanie bunkovej identity v rastlinách v danej pozícii.
„Tento mechanizmus kontroluje, aký typ bunky sa v danom mieste vytvorí a do akej veľkosti daná bunka narastie. Zároveň je nevyhnutný pre správnu orientáciu bunkových delení počas vývinu embrya a v post-embryonálnom vývine rastlín. Tento mechanizmus bol kľúčový aj v evolúcii rastlín, keďže umožnil koordinovaný troj-dimenzionálny rast pri prechode od rias k suchozemským rastlinám, čo sa udialo niekedy pred 470 miliónmi rokov,“ vysvetľuje Mgr. Viktor Demko, PhD., Prírodovedecká fakulta Univerzity Komenského v Bratislave, Katedra fyziológie rastlín, vedúci projektu Mechanizmus pozičnej signalizácie v rastlinách – pochopenie DEK1 dráhy (The mechanism of positional signalling in plants – understanding of the DEK1 pathway). Projekt je financovaný grantom APVV-17-0570.
Hlavnými cieľmi je zistiť, ako je DEK1 proteín aktivovaný, aká je jeho atómová štruktúra a aké sú jeho bunkové substráty. „Predpokladáme, že DEK1 funguje ako senzor na zachytenie a interpretáciu pozičných signálov (teda, kde sa daná bunka nachádza oproti iným bunkám). Odpoveďou na zachytený signál je zmena expresie mnohých génov, ktoré zabezpečujú bunkovú identitu (cell fate) a diferenciáciu daného typu bunky (napr. epidermálnych buniek na povrchu rastlinného tela).“
Mgr. Viktor Demko, PhD. vysvetľuje, že DEK1 proteín pozostáva z veľkej transmembránovej domény a z viacerých cytoplazmatických domén. Na konci tohto veľkého proteínu je podľa neho kalpaínová proteáza, ktorá pravdepodobne štiepi ďalšie proteíny v bunke a tým modifikuje ich aktivitu. Doposiaľ nie je známe, ako presne je táto koncová proteáza aktivovaná a ktoré proteíny štiepi, dodáva vedúci projektu s tým, že „DEK1 story” má veľmi zaujímavú históriu.
„Gén DEK1 bol klonovaný (objavený) z mutantných línií kukurice skupinou prof. Odd-Arne Olsena počas jeho pôsobenia v americkej biotechnologickej korporácii Pioneer DuPont, teda v aplikovanom výskume. Neskôr sa zistilo, že DEK1 je kľúčový regulátor rastu v celej rastlinnej ríši a začal sa študovať podrobne v rámci základného výskumu na univerzite v Nórsku (kde som u prof. Olsena pracoval šesť rokov). V tom čase sme rozbehli integrovaný multi-disciplinárny prístup na pochopenie fungovania DEK1. Súčasný projekt, ktorý vediem v Bratislave, nadväzuje na predošlé zistenia a rozširuje ich o nové prístupy a technológie.“
Ako ďalej Mgr. Viktor Demko, PhD. vysvetlil, genetické a štruktúrne analýzy im umožnia pochopiť, ako DEK1 zachytáva signál v danom mieste bunky, o aký signál ide a akým spôsobom je indukovaná bunková odpoveď na daný signál. „Pochopenie DEK1 dráhy má implikácie pre biotechnológie. Ukazuje sa, že experimentálne kontrolovanou aktivitou DEK1 dokážeme ovplyvniť rast a vývin rastlín a jednotlivých rastlinných orgánov, ako sú listy alebo kvety. Budeme tiež schopní zvýšiť počet konkrétnych bunkových vrstiev, pletív (napr. aleurónových buniek v semenách, ktoré sú významným zdrojom olejov a enzýmov, ktoré štiepia škrob). Keďže DEK1 kontroluje, aký typ bunky sa v danom mieste rastlinného tela vytvorí a zároveň do akej veľkosti daná bunka narastie, kontrolovaná/pozmenená aktivita DEK1 môže slúžiť ako nástroj pre kontrolu vlastností konkrétnych pletív, napr. odolnosti rastlinnej pokožky voči mechanickému poškodeniu, alebo patogénom.“
Vedúci projektu ďalej dopĺňa, že odhalenie molekulárnej podstaty kontroly aktivity DEK1 calpain proteázy môže dopomôcť k odhaleniu, pochopeniu regulačných mechanizmov, ktoré sa uplatňujú pri iných podobných typoch proteáz, ktoré majú súvis s fyziologickými procesmi v rastlinách a tiež v živočíchoch/u ľudí s aplikáciami v bio-medicíne.
Spolupráca na projekte
Momentálne sú vedci v prvom roku riešenia APVV projektu, ktorý je plánovaný na 4 roky (1. 8. 2018 – 30. 6. 2022). Intenzívne pracujú na molekulárnej analýze jednotlivých DEK1 domén, ktoré pravdepodobne regulujú aktivitu efektorovej kalpaín proteázy DEK1, pracujú tiež na produkcii rekombinantného DEK1 a jeho jednotlivých domén za účelom určenia jeho atómovej štruktúry a využívajú najmodernejšie bio-informatické prístupy na odhalenie tzv. Gene Regulatory Networks (GRNs), teda skupín génov, ktorých expresia je regulovaná aktivitami.
Na Slovensku spolupracujú predovšetkým so skupinou doc. Stanislava Stuchlíka vo Vedeckom Parku Univerzity Komenského v Bratislave a so skupinou doc. Jána Jásika z Centra Biológie Rastlín a Biodiverzity SAV. Projekt má aj silných zahraničných spolupracovníkov.
Na štruktúre DEK1 spolupracujú s Membrane Protein Lab, Diamond Light Source, Oxfordshire (národné synchrotrónové centrum v UK a Protein Production-UK v Research Complex at Harwell, UK) – sú to svetové špičky v štruktúrnej biológii v zastúpení Dr. Andrew Quigley a prof. Ray Owens). Tieto aktivity opakovane podporila medzinárodná sieť INSTRUCT-ERIC. Na DEK1 GRNs spolupracujú vedci so špičkovou skupinou v rámci Plant Genome and Systems Biology, Helmholtz Zentrum Munchen v Nemecku a s Norwegian University of Life Sciences a Inland Norway University of Applied Sciences v Nórsku. Na prepojení DEK1 dráhy s ďalšou významnou dráhou, ktorá reguluje rastlinné meristémy spolupracujú so skupinou Dr. Jill Harrison, University of Bristol, UK.
Okrem toho majú slovenskí vedci niekoľko ďalších domácich aj zahraničných spoluprác v rôznom rozsahu.
Informácie a fotografie poskytol: Mgr. Viktor Demko, PhD. Prírodovedecká fakulta Univerzity Komenského v Bratislave, Katedra fyziológie rastlín
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: VČ