РЕЗЮМЕ. Известно, что подсемейство протеинкиназ SnRK1 участвует в регуляции углеводного обмена и энергетического баланса. Эти ферменты многофункциональны и могут принимать участие во многих других важных клеточных процессах. В данной работе изучали роль протеинкиназ SnRK1 (KIN10 и KIN11) в регуляции клеточного деления Arabidopsis thaliana. Для этого использовали мутантные линии kin10/kin11 A. thaliana, нокаутные по генам KIN10 и KIN11 (http://arabidopsis.info/). В данных мутантах был установлен низкий митотический индекс и показано снижение уровня экспрессии маркеров клеточной пролиферации – CYCB1, 1 (циклин В) и
растительного гомолога BRCA1 (Breast Cancer Suppressor Protein). Значительно меньший митотический индекс и уровень экспрессии CYCB1, 1 и BRCA1 наблюдали именно в мутантах, которые выращивали в условиях энергетического голодания. Также было зафиксировано высокую экспрессию генов CYCB1, 1/BRCA1 и KIN10/KIN11 в суспензионной культуре A. thaliana по сравнению с проростками арабидопсиса. Такие данные могут свидетельствовать о возможной роли протеинкиназ KIN10/KIN11 в регуляции клеточной пролиферативной активности.
Відомо, що підродина протеїнкіназ SnRK1 бере участь у регулюванні вуглеводного обміну та енергетичного балансу. Ці ферменти характеризуються своєю багатофункціональністю та можуть приймати участь в багатьох інших важливих процесах у клітині. В даній роботі вивчали роль протеїнкіназ SnRK1 (KIN10 та KIN11) у регуляції клітинного поділу Arabidopsis thaliana. Для цього використовували мутантні лінії kin10/kin11 A. thaliana (http://arabidopsis.info/), нокаутні по генах KIN10 та KIN11. В цих мутантах було зафіксовано низький мітотичний індекс та показано знижений рівень експресії маркерів клітинної проліферації – генів CYCB1;1 (циклін В) та рослинного гомолога BRCA1 (Breast Cancer Suppressor Protein). Значно нижчий мітотичний індекс та рівень експресії CYCB1;1 і BRCA1 спостерігали саме у мутантах, які були вирощені за умов енергетичного голодування. Також було зафіксовано підвищену експресію CYCB1;1/BRCA1 та KIN10/KIN11 у суспензійній культурі A. thaliana в порівнянні з інтактними проростками. Такі дані можуть свідчити про можливу роль протеїнкіназ KIN10/KIN11 у регуляції проліферативної активності.
Ключові слова: протеинкиназы, Arabidopsis thaliana, SnRK1, KIN10, KIN11, экспрессия генов, митотические маркеры, клеточное деление
протеїнкінази, Arabidopsis thaliana, SnRK1, KIN10, KIN11, експресія генів, маркери мітозу, клітинний поділ
Повний текст та додаткові матеріали
У вільному доступі: PDFЦитована література
1. Wang, L., Hu, W., Sun, J., Liang, X., Yang, X., We, S., Wang, X., Zhou, Y., Xiao, Q., Yang, G., and He, G., Genome-wide analysis of SnRK gene family in Brachypodium distachyon and functional characterization of BdSnRK2.9, Plant Sci., 2015, vol. 237, pp. 35–45. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2015.05.008
2. Wang, Y., Berkowitz, O., Selinski, J., Xu, Y., Hartmann, A., and Whelan, J., Stress responsive mitochondrial proteins in Arabidopsis thaliana, Free Radic. Biol. Med., 2018, vol. 122, pp. 28–39. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2018.03.031
3. Wang, X., Wang, L., Wang, Y., Liu, H., Hu, D., Zhang, N., Zhang, S., Cao, H., Cao, Q., Zhang, Z., Tang, S., Song, D., and Wang, C., Arabidopsis PCaP2 plays an important role in chilling tolerance and ABA response by activating CBF- and SnRK2-mediated transcriptional regulatory network, Front. Plant Sci., 2018, vol. 9, no. 215. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00215
4. Halford, N.G. and Hey, S.J., Snf1-related protein kinases (SnRKs) act within an intricate network that links metabolic and stress signalling in plants, Biochem. J., 2009, vol. 419, no. 2, pp. 247–259. https://doi.org/10.1042/BJ20082408
5. Polge, C. and Thomas, M., SNF1/AMPK/SnRK1 kinases, global regulators at the heart of energy control?, Trends Plant Sci., 2007, vol. 21, no. 1, pp. 20–28. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2006.11.005
6. Lumbreras, V., Alba, M.M., Kleinow, T., Koncz, C., and Pages, M., Domain fusion between SNF1-related kinase subunits during plant evolution, EMBO Rep., 2001, vol. 2, no. 1, pp. 55–60. https://doi.org/10.1093/emboreports/kve001
7. Karpov, P.A., Rayevsky, A.V., Krasnoperova, E.E., Isayenkov, S.V., Yemets, A.I., and Blume, Ya.B., Protein kinase KIN10 from Arabidopsis thaliana as a potential regulator of primary microtubule nucleation centers in plants, Cytol. Genet., 2017, vol. 51, no. 6, pp. 415–421. https://doi.org/10.3103/S0095452717060056
8. Tsai, A.Y.L. and Gazzarrini, S., Trehalose-6-phosphate and SnRK1 kinases in plant development and signaling: the emerging picture, Front. Plant Sci., 2014. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00119
9. Zhai, Z., Liu, H., and Shanklin, J., Phosphorylation of WRINKLED1 by KIN10 results in its proteasomal degradation, providing a link between energy homeostasis and lipid biosynthesis, Plant Cell, 2017, vol. 29, no. 4, pp. 871–889. https://doi.org/10.1105/tpc.17.00019
10. Shen, W., Reyes, M.I., and Hanley-Bowdoin, L., Arabidopsis protein kinases GRIK1 and GRIK2 specifically activate SnRK1 by phosphorylating its activation loop, Plant Physiol., 2009, vol. 150, no. 2, pp. 996–1005. https://doi.org/10.1104/pp.108.132787
11. Mohannath, G., Jackel, J.N., Lee, Y.H., Buchmann, R.C., Wang, H., Patil, V., Adams, A.K., and Bisaro, D.M., A complex containing SNF1-related kinase (SnRK1) and adenosine kinase in Arabidopsis, PLoS One, 2014, vol. 149, no. 4, e87592. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0087592
12. Wang, F., Ye, Y., Chen, X., Wang, J., Chen, Z., and Zhou, Q., A sucrose non-fermenting-1-related protein kinase 1 gene from potato, StSnRK1, regulates carbohydrate metabolism in transgenic tobacco, Physiol. Mol. Biol. Plants, 2017, vol. 23, no. 4, pp. 933–943. https://doi.org/10.1007/s12298-017-0473-4
13. Simon, N.M., Kusakina, J., Fernández-López, A., Chembath, A., Belbin, F.E., and Dodd, A.N., The energy-signalling hub SnRK1 is important for sucrose-induced hypocotyl elongation, Plant Physiol., 2018, vol. 176, pp. 1299–1310. https://doi.org/10.1104/pp.17.01395
14. Mair, A., Pedrotti, L., Wurzinger, B., Anrather, D., Simeunovic, A., Weiste, C., Valerio, C., Dietrich, K., Kirchler, T., Nagele, T., Carbajosa, J.V., Hanson, J., Baena-González, E., Chaban, C., Weckwerth, W., Dröge-Laser, W., and Teige, M., SnRK1-triggered switch of bZIP63 dimerization mediates the low energy response in plants, Elife, 2015. https://doi.org/10.7554/eLife.05828
15. Chen, L., Su, Z., Huang, L., Xia, F., Qi, H., Xie, L., Xiao, S., and Chen, Q.-F., The AMP-activated protein kinase KIN10 is involved in the regulation of autophagy in Arabidopsis, Front. Plant Sci., 2017, vol. 8. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01201
16. Nunes, C., O’Hara, L.E., Primavesi, L.F., Delatte, T.L., Schluepmann, H., Somsen, G.W., Silva, A.B., Fevereiro, P.S., Wingler, A., and Paul, M.J., The trehalose 6-phosphate/SnRK1 signaling pathway primes growth recovery following relief of sink limitation, Plant Physiol., 2013, vol. 162, no. 3, pp. 1720–1732. https://doi.org/10.1104/pp.113.220657
17. Martínez-Barajas, E., Delatte, T., Schluepmann, H., de Jong, G.J., Somsen, G.W., Nunes, C., Primavesi, L.F., Coello, P., Mitchell, R.A.C., and Paul, M.J., Wheat grain development is characterized by remarkable trehalose 6-phosphate accumulation pregrain filling: tissue distribution and relationship to SNF1-related protein kinase1 activity, Plant Physiol., 2011, vol. 156, no. 1, pp. 373–381. https://doi.org/10.1104/pp.111.174524
18. Jeong, E.-Y., Seo, P.J., Woo, J.C., and Park, C.-M., AKIN10 delays flowering by inactivating IDD8 transcription factor through protein phosphorylation in Arabidopsis, BMC Plant Biol., 2015, vol. 15, no. 110. https://doi.org/10.1186/s12870-015-0503-8
19. Im, J.H., Cho, Y.H., Kim, G.D., Kang, G.H., Hong, J.W., and Yoo, S.D., Inverse modulation of the energy sensor Snf1-related protein kinase 1 on hypoxia adaptation and salt stress tolerance in Arabidopsis thaliana, Plant Cell Environ., 2014, vol. 10, pp. 2303–2312. https://doi.org/10.1111/pce.12375
20. Krasnoperova, E.E., Isayenkov, S.V., Karpov, P.A., and Yemets, A.I., The cladistic analysis and characteristic of an expression of serine/threonine protein kinase KIN10 in different organs of Arabidopsis thaliana, Rep. Natl. Acad. Sci. Ukraine, 2016, no. 1, pp. 81–91. . https://doi.org/10.15407/dopovidi2016.01.081
21. Yemets, A.I., Lloyd, C., and Blume, Ya.B., Plant tubulin phosphorylation and its role in cell cycle progression, in The Plant Cytoskeleton: A Key Tool for Agro-Biotechnology, Netherlands: Springer, 2008, pp. 145–159. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8843-8
22. Crisanto, G., The Arabidopsis cell division cycle, Arabidopsis Book, 2009. no. 7, e0120. https://doi.org/10.1199/tab.0120
23. Trapp, O., Seeliger, K., and Puchta, H., Homologs of breast cancer genes in plants, Front Plant Sci., 2011, vol. 2, no. 19. https://doi.org/10.3389/fpls.2011.00019
24. Menges, M. and Murray, J.A., Murray synchronous Arabidopsis suspension cultures for analysis of cell-cycle gene activity, Plant J., 2002, vol. 30, no. 2, pp. 203–212. https://doi.org/10.1046/j.1365-313X.2002.01274.x
25. Guzzo, F., Portaluppi, P., Grisi, R., Barone, S., Zampieri, S., Franssen, H., and Levi, M., Reduction of cell size induced by enod40 in Arabidopsis thaliana, J. Exp Bot., 2005, vol. 56, no. 412, pp. 507–513. https://doi.org/10.1093/jxb/eri028
26. Gamborg, O.L. and Eveleigh, D.E., Culture methods and detection of glucanases in cultures of wheat and barley, Can. J. Biochem., 1968, vol. 46, no. 5, pp. 417–421.
27. Livak, K.J. and Schmittgen, T.D., Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2–ΔΔC T method, Methods, 2001, vol. 25, no. 4, pp. 402–408. https://doi.org/10.1006/meth.2001.1262
28. Shevchenko, G.V., Talaliev, A.S., and Doonan, J., Arabidopsis thaliana seedlings from the Chernobyl NPP zone are tolerant to DNA-damaging agents, Rep. Natl. Acad. Sci. Ukraine, 2012, no. 12, pp. 157–162. https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.04.084
29. Starita, L.M., Machida, Y., Sankaran, S., Elias, J.E., Griffin, K., Schlegel, B.P., Gygi, S.P., and Parvin, J.D., BRCA1-dependent ubiquitination of gamma-tubulin regulates centrosome number, Mol. Cell. Biol., 2004, vol. 24, no. 19, pp. 8457–8466. https://doi.org/10.1128/MCB.24.19.8457-8466.2004
30. Baena-González, E. and Sheen, J., Convergent energy and stress signaling, Trends Plant Sci., 2008, vol. 13, no. 9, pp. 474–482. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2008.06.006
31. Sample, V., Ramamurthy, S., Gorshkov, K., Ronnett, G.V., and Zhang, J., Polarized activities of AMPK and BRSK in primary hippocampal neurons, Mol. Biol. Cell, 2015, vol. 26, no. 10, pp. 1935–1946. https://doi.org/10.1091/mbc.E14-02-0764
32. Alvarado-Kristensson, M., Rodríguez, M.J., Silio, V., Valpuesta, J.M., and Carrera, A.C., SADB phosphorylation of γ-tubulin regulates centrosome duplication, Nat. Cell Biol., 2009, vol. 11, no. 9, pp. 1081–1092. https://doi.org/10.1038/ncb1921
33. Dhumale, P., Menon, S., Chiang, J., and Püschel, A.W., The loss of the kinases SadA and SadB results in early neuronal apoptosis and a reduced number of progenitors, PLoS One, 2018, vol. 13, no. 4, e0196698. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0196698
34. Eklund, G., Lang, S., Glindre, J., Ehlén, E., and Alvarado-Kristensson, M., The nuclear localization of γ‑tubulin is regulated by SadB-mediated phosphorylation, J. Biol. Chem., 2014, vol. 289, no. 31, pp. 21360–21373. https://doi.org/10.1074/jbc.M114.562389