«Растения уникальны тем, что они застревают там, где они прорастают, поэтому они должны использовать различные способы решения экологических проблем», — говорит Джоан Чори, старший автор статьи и директор Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Солка. «Понимание методов, которые используют растения для борьбы со стрессом, может помочь нам создать более сильные культуры с повышенной урожайностью, чтобы справиться с растущей нехваткой продовольствия».В каждом листе растений есть клеточные органеллы, похожие на крошечные солнечные батареи. Эти микроскопические структуры, называемые хлоропластами, преобразуют солнечный свет в химическую энергию, чтобы растение могло расти. Командный центр клетки, ядро, иногда посылает сигналы для уничтожения всех 50–100 хлоропластов в клетке, например, осенью, когда листья становятся коричневыми и опадают.
Однако команда Солка обнаружила, как ядро ??растения начинает разлагаться, и повторно использует материалы избранных, неисправных хлоропластов — механизм, о котором подозревали, но никогда не демонстрировали до сих пор.«Мы открыли новый путь, который позволяет клетке проверять качество хлоропластов», — говорит Джесси Вудсон, научный сотрудник Солка и первый автор статьи. Хлоропласты полны ферментов, белков и других материалов, которые растение может использовать в противном случае, если хлоропласт неисправен (например, создает токсичные материалы) или не нужен.Изучая мутантную версию модельного растения арабидопсис, команда заметила, что это растение производит дефектные хлоропласты, которые создают реактивную токсичную молекулу, называемую синглетным кислородом, которая накапливается в клетках.
Команда заметила, что клетки маркируют поврежденные хлоропласты для деградации с помощью белковой метки, называемой убиквитином, которая используется в организмах от дрожжей до человека для изменения функции белка. При более тщательном исследовании команда заметила, что мечение инициируется белком PUB4.«Поврежденные хлоропласты покрывались этим белком убиквитина», — говорит Вудсон. «Мы думаем, что это фундаментально отличается от сигнала всей клетки, потому что клетка хочет продолжать фотосинтез, но у нее есть плохие хлоропласты, которые нужно нацелить и удалить».В то время как PUB4 был связан с гибелью клеток в другой работе, команда Солка показала, что этот белок инициирует деградацию хлоропластов, помещая убиквитиновые метки, чтобы пометить органеллы для рециклинга клеток.
По словам Вудсона, этот процесс похож на маркировку дефектных солнечных панелей, чтобы заменить их на другие материалы.«Понимание базовой биологии растений, таких как избирательная деградация хлоропластов, приближает нас к изучению того, как контролировать хлоропласты и создавать культуры, более устойчивые к стрессорам», — говорит Чори, который также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза и обладателем сертификата Ховард Х. и Марьям Р. Ньюман, заведующие кафедрой биологии растений. Например, если растение растет в достаточно расслабленной окружающей среде, можно потенциально уменьшить деградацию хлоропластов, чтобы ускорить рост растения.
Или, если в окружающей среде много солнца, стимулирование разрушения и регенерации хлоропластов могло бы помочь растению процветать.Интересно, что хлоропласты также могут помочь нам понять наш мозг. Нейроны имеют органеллы, генерирующие энергию, похожие на хлоропласты, называемые митохондриями. «Недавно стало очевидно, что митохондрии избирательно разлагаются в клетке и что плохое накопление митохондрий может привести к таким заболеваниям, как болезнь Паркинсона и, возможно, болезнь Альцгеймера», — говорит Вудсон. «Клетки, будь то растения или животные, учатся избирательно разлагать отмершие энергетические органеллы, чтобы выжить».
Лучше понимая этот процесс в хлоропластах, команда Солка может также получить представление о том, как клетки справляются с неправильным поведением митохондрий. «Пока кажется, что это может быть параллельный процесс», — добавляет Вудсон. «Мы надеемся, что с помощью наших молекулярных и генетических инструментов, доступных для растений, мы сможем продолжать раскрывать общие концепции того, как клетки проводят эти проверки качества органелл, а также узнаем кое-что о нейродегенеративных заболеваниях».