Анализ редокс-протеома корней высших растений: разработка стандартизированных подходов и установление характеристических паттернов модификаций, индуцируемых активными формами кислорода: 2020 г. этап 1

Project

Project Details

Description

Генерация активных форм кислорода (АФК) в тканях растений представляет собой одну из важнейших реакций, развивающихся при стрессовых воздействиях, и являющуюся неотъемлемым компонентом процессов роста, развития, размножения, индукции запрограммированной клеточной гибели и др. При этом АФК выступают одновременно в роли регуляторно-сигнальных агентов и индукторов окислительного повреждения клетки (Demidchik et al., 2003, JCS 116: 81-88; Demidchik et al., 2007, Plant J 49: 377-386; Foreman et al., 2003, Nature 422: 442-446; Demidchik, 2015, Env Exp Bot 109: 212-228; Waszczak et al., 2018, Annu Rev Plant Biol 69: 209-236). Метаболизм АФК – одна из важнейших мишеней селекции сельскохозяйственных растений, так как АФК и редокс-процессы контролируют ключевые реакции формирования урожая: фотосинтез, дыхание, рост и развитие растений, их ответ на стресс (Waszczak et al., 2018, Annu Rev Plant Biol 69: 209-236).
Несмотря на значительный пласт информации по вопросам генерации АФК у растений, а также физиологическим и патофизиологическим реакциям, вызываемым ими, до сих пор отсутствует четкое понимание закономерностей АФК-индуцируемой модификации протеома, то есть, механизмов, лежащих в основе образования специфических неэнзиматических модификаций клеточных белков, что особенно актуально для корневой системы (Mock and Dietz, 2016, BBA 1864: 967-973; Go and Jones, 2013, J Biol Chem, 288: 26512-26520). Серьезной проблемой является значительное расхождение в данных по редокс-протеомам высших растений, которое обусловлено широким диапазоном использованных условий, а также отсутствием какой-либо стандартизации в условиях обработки свободнорадикальными АФК.
Существующие обработки растений редокс-агентами при исследовании окислительных протеомов являются импульсными (разовыми) и не учитывают тот факт, что АФК-генерирующие смеси производят широкий спектр продуктов, быстро разлагающихся и превращающихся в другие формы. Например, время полужизни H2O2 в биологических образцах практически никогда не превышает 1 с (Halliwell and Gutteridge, 2015, Free Radicals in Biology and Medicine. 5th Edition, Oxford University Press, New York), то есть, даже в случае введения данного наиболее стабильного редокс-агента следует учитывать рабочий объем системы, размеры биологического образца, его антиоксидантный потенциал и контролировать уровень введенной Н2О2. В случае же АФК свободнорадикальной природы, таких как супероксидный анионный радикал и гидроксил-радикал, время жизни которых оценивается, соответственно, в микросекундном или наносекундном диапазоне, контроль обработок и способ применения радикал-генерирующих смесей имеет огромное значение.
К настоящему времени отсутствуют работы, в которых бы проводился контроль уровня АФК в обработке и их модификации в экспериментальной системе при проведении анализа редокс-протеомов. В то же время, именно стандартизация обработок АФК и гомогенность растительного материала принципиальны для выделения характеристических (референсных) паттернов окислительного повреждения белка (Mock and Dietz, 2016, BBA 1864: 967-973; Demidchik, 2015, Env Exp Bot 109: 212-228; Shumilina et al., 2019, Int. J. Mol. Sci. 20: 2366). Получение таких паттернов имеет огромное фундаментальное значение для биологии и связанных с ней ее прикладных областей, поскольку рост, развитие и стрессоустойчивость высших растений в значительной степени контролируются редокс-зависимыми механизмами.
Следует также отметить, что специфично для корневой системы Arabidopsis thaliana L. Heynh. (важнейшего модельного растения) исследования АФК-индуцируемого изменения протеома до сих пор не проведены (ISI Web of Science, 30.09.2019 г.; обсуждение с ведущими специалистами в области протеомики растений). Это создает затруднения при экстраполяции физиологических данных на уровень изменений протеома, а также не позволяет построить модель изменений транскриптома и метаболома при окислительном стрессе и физиологических процессах с участием АФК у высших растений. Arabidopsis thaliana L. Heynh. является принципиальной моделью для экстраполяции физиологических данных на сельскохозяйственные и другие важные виды. В этой связи, предлагаемые в настоящей работе исследования актуальны как для фундаментальной, так и для прикладной биологии растений.
В представленном к рассмотрению проекте предлагается также восполнить пробел, связанный с отсутствием понимания ответа протеома растений на свободнорадикальные АФК, такие как супероксидный анионный радикал и гидроксил-радикал, которые по ряду оценок определяют, как регуляторную, так и токсическую составляющие в действии АФК на растения. Как уже указывалось выше, данный пробел в свободнорадикальной биологии растений обусловлен недостаточным уровнем стандартизации и эффективности систем обработки данными свободнорадикальными и редокс-агентами.
Short titleАнализ редокс-протеома корней высших растений
AcronymRFBR_Bel_a_2020 - 1
StatusActive
Effective start/end date2/06/2031/12/20