Raziskovalci Kemijskega inštituta koordinirali raziskavo, ki je pojasnila specifičnost in delovanje mikrobnih citolizinov

Rastlinski patogeni mikroorganizmi imajo pester nabor molekul za okužbo rastlin, ki jih uporabljajo za infekcijo in širjenje po tkivih. Raziskovalci dveh odsekov Kemijskega inštituta so s sodelavci Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani in tujine določili receptor na površini rastlinskih celic in razložili, zakaj so nekateri mikrobni toksini specifični samo za dvokaličnice.

Rastlinski patogeni organizmi imajo običajno pester in številčen nabor molekul za okužbo rastlin, s katerimi omogočijo svoje širjenje. Pri bakterijah, glivah in oomicetah je že nekaj časa poznana družina proteinskih molekul, imenovana s kratico NLP (ang. Nep1-like proteins). Ti proteini so udeleženi pri mnogih boleznih za človeka pomembnih rastlin kot so različne vrste zelenjave, kakavovec, vinska trta, itn. Najpogostejši bolezenski znaki so gniloba ali rja, počrneli plodovi, venenje rastlin in zamrtje semen in se zelo hitro razširijo po posevkih. Eden od bolj očitnih odgovorov rastlin na proteine NLP je odmiranje rastlinskega tkiva. Do odmiranja celic pride samo pri dvokaličnicah, kot so krompir, tobak in kakavovec, ne pa na enokaličnicah kot so koruza, pšenica ali riž. V raziskavi, ki smo jo objavili v prestižni znanstveni reviji Science, razložimo katera molekula je prvi stik proteinov NLP z rastlino in zakaj so enokaličnice neobčutljive na proteine NLP. Rastlinske celične membrane vsebujejo lipide, na katere je pripeto različno število sladkornih enot, ki segajo ven iz zunanjega sloja membrane. Ti lipidi pa se razlikujejo med enokaličnicami in dvokaličnicami in ravno razlika v zgradbi lipidov je razlog, da enokaličnice niso občutljive na proteine NLP. Ti mikrobni toksini so namreč zgrajeni tako, da se poseben žep na proteinu toksina lahko veže na sladkorno molekulo, ki je končni in s tem izpostavljen gradnik lipidnih receptorjev v membranah dvokaličnic. V nasprotju z dvokaličnicami, pa imajo lipidi pri enokaličnicah na tem mestu vezan še en dodaten sladkor, ki pa po vezavi toksina na ta lipidni receptor zaradi prevelike razdalje od membrane onemogoči vgradnjo toksina v celično membrano, in zato enokaličnice ostanejo nepoškodovane. Pokazali smo tudi, da pri vezavi NLP proteina na sladkorno enoto lipida v rastlinski membrani pride do spremembe v sami zgradbi proteina in s tem verjetno tudi do lažje vgradnje v membrane rastlinske celice.

V prihodnje bomo nadaljevali z raziskavami molekulskih osnov poškodb rastlinskih celic povzročenih s proteini NLP. Želimo razumeti, na kakšen način ti toksini uničijo lastnosti membran rastlinskih celic. Naše odkritje pa nam po drugi strani že zdaj omogoča razvoj snovi, ki preprečujejo delovanje proteinov NLP. Proteini NLP se nahajajo večinoma le pri rastlinskih škodljivcih in kot taki predstavljajo idealno tarčo za boj proti njim. Z usmerjenim napadom na proteine NLP bi lahko izničili toksične učinke škodljivcev, ki jih proizvajajo, hkrati pa zmanjšali vpliv na druge proteine ali organizme.

Pri raziskavi je sodelovalo kar 25 znanstvenikov iz 14 inštitucij šestih držav. Iz Slovenije je sodelovalo osem znanstvenikov s Kemijskega inštituta in Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani. Tea Lenarčič in dr. Vesna Hodnik si, še z dvema kolegicama iz Nemčije, delita prvo avtorstvo. Iz Odseka za molekularno biologijo in nanobiotehnologijo Kemijskega inštituta so sodelovali še dr. Katja Pirc, dr. Polona Bedina, dr. Marjetka Podobnik in dr. Gregor Anderluh, ki je bil tudi en od dveh vodilnih avtorjev študije. Iz Odseka za polimerno kemijo in tehnologijo Kemijskega inštituta pa sta sodelovala še dr. David Pahovnik in dr. Ema Žagar. Študijo so poleg znanstvenikov Kemijskega inštituta zasnovali in koordinirali še raziskovalci Eberhard-Karls Univerze iz Tübingna v Nemčiji.

Objava: Tea Lenarčič, Isabell Albert, Hannah Böhm, Vesna Hodnik, Katja Pirc, Apolonija B. Zavec, Marjetka Podobnik, David Pahovnik, Ema Žagar, Rory Pruitt, Peter Greimel, Akiko Yamaji-Hasegawa, Toshihide Kobayashi, Agnieszka Zienkiewicz, Jasmin Gömann, Jenny C. Mortimer, Lin Fang, Adiilah Mamode-Cassim, Magali Deleu, Laurence Lins, Claudia Oecking, Ivo Feussner, Sébastien Mongrand, Gregor Anderluh, Thorsten Nürnberger. Science (2017) Eudicot plant-specific sphingolipids determine host selectivity of mirobial NLP cytolysins.

Povezava: http://science.sciencemag.org/content/358/6369/1431

Povezana objava:

Ottmann C, Luberacki B, Küfner I, Koch W, Brunner F, Weyand M, Mattinen L, Pirhonen M, Anderluh G, Seitz HU, Nürnberger T, Oecking C. Proc Natl Acad Sci U S A. (2009) A common toxin fold mediates microbial attack and plant defense. 106:10359-10364.
Povezava: http://www.pnas.org/content/106/25/10359.long

Video:



Slike:


 
Citotoksični NLP povzročajo nekrozo na rastlinah dvokaličnicah. Na sliki so prikazane poškodbe, ki jih na tobakovem listu povzročiu vbrizganje toksičnih NLP proteinov (NLPPp in NLPPya). Podobni proteini, ki delujejo na celice vretenčarjev, ne povzročijo takšnih poškodb (npr. proteini na levi strani, EqtII, FraC in Brioporin).

 
Podrobnejši prikaz vezavnega mesta za sladkor glukozamin. Sivo označuje protein NLP brez vezanega sladkorja, oranžno pa toksični protein NLP v kompleksu z glukozaminom. Glukozamin (zeleno) in aminokisline, ki sodelujejo pri vezavi sladkorja, koordinaciji magnezijevega iona Mg2+ (vijolična krogla) in stabilizaciji interakcije z membrano, so označene s palčkami. Magnezijev ion ima glede na vezan sladkor lahko različen položaj v proteinu (le-ti so označeni s številkami).

 
Shematski model interakcije proteinov NLP z membranami rastlinskih celic. S sivo je označen protein NLP, z oranžno pa protein v kompleksu s sladkornim delom lipidnega receptorja. Z modro je označena plazemska membrana, z zeleno tarčni lipidi, ki so prisotni pri dvokaličnicah, z rdečo pa lipidi, ki vsebujejo več sladkornih enot, in se nahajajo v drugih rastlinah (enokaličnicah). Magnezijev ion v aktivnem mestu toksina je označen kot vijolična kroglica.

 


Prof. dr. Roman Jerala prejel ERC Advanced Grant 2017

Z velikim veseljem sporočamo, da so znani rezultati razpisa ERC za uveljavljene raziskovalce 2017...

Ljubljana, 06.04.2018
Raziskovalci Kemijskega inštituta koordinirali raziskavo, ki je pojasnila specifičnost in delovanje mikrobnih citolizinov

Rastlinski patogeni mikroorganizmi imajo pester nabor molekul za okužbo rastlin, ki jih uporabljajo...

Ljubljana, 15.12.2017
O fononih in povečanju vodnega pretoka v ogljikovih nanocevkah

Fascinantna fizika transporta vode skozi ogljikove nanocevke je vzbudila številne študije, ki...

Ljubljana, 11.12.2017
Odkritje raziskovalcev Kemijskega inštituta o izboljšanju imunskega odziva s kratkimi fragmenti DNK, ki nastanejo z razgraditvijo dvoverižne DNK

Raziskovalke in raziskovalci Odseka za sintezno biologijo in imunologijo Kemijskega inštituta, so...

Ljubljana, 24.05.2017
Štirivijačna strukturna družina, v katero se zvijejo z AGCGA bogati oligonukleotidi iz regulacijskih regij DNK

Strukturne študije z uporabo tehnik NMR so pokazale, da se DNK oligonukleotidi, ki vsebujejo AGCGA...

Ljubljana, 23.05.2017