Лаборатория молекулярной фотобиологии: Группа Молекулярные механизмы рецепции света растениями

Руководитель группы – д.б.н. Синещёков Виталий Алексеевич

Основная тематика работ в группе Молекулярных механизмов рецепции света растениями – сравнительное изучение биологически важных пигментов фоторецепторов и протекающих в них первичных фотофизических и фотохимических процессов. Главным инструментом исследования служит флуоресцентная и абсорбционная спектроскопия, используемая в широком температурном интервале от температуры жидкого азота до комнатной, объектами служат растения разных видов, дикого типа и мутанты по фоторецепторам.

Можно обозначить три основных этапа или периода развития работы. Вначале исследовали пигменты фотосинтеза — хлорофиллы, фикобилины и каротиноиды. Была открыта система нативных форм хлорофилла, осуществляющая эффективный направленный перенос поглощённой световой энергии «вниз по энергетической лестнице» на реакционные центры фотосинтеза (Litvin, F. F., & Sineshchekov, V. A. (1975)). Установлен и описан перенос энергии в донорно-акцепторном комплексе каротин-хлорофилл (Sineshchekov, V. A., Litvin, F. F., & Das, M. (1972)). При изучении миграции энергии в фикобилисомах цианобактерий была описана аналогичная хлорофильной система направленного переноса энергии, образованная фикобилипротеинами (Sineshchekov, V. A., & Bekasova, O. D. (2020)).

В дальнейшем мы обратились к изучению зрительного и бактериального родопсинов. Была открыта их флуоресценция, установлена ее связь с реакцией фотоизомеризации и предложена энергетическая схема первичных фотопроцессов в ретиналь протеинах. Тем самым инициированы исследования в новом для этих объектов направлении (Sineshchekov, V. A., & Litvin, F. F. (1987)).

Продолжением сравнительного изучения фотобиофизики и фотобиохимии этих биологических важных пигментов явились исследования фитохрома растений. Была обнаружена флуоресценции фитохрома in situ и на этой основе разработан новый метод определения этого пигмента в растительных тканях. По своей чувствительности и информативности он существенно превосходит единственный другой прижизненный метод исследования фитохрома — абсорбционную спектроскопию. С его использованием был впервые физико-химически охарактеризован фитохром в его нативном состоянии в клетке. Обнаружены принципиально важные черты общности первичных фотопроцессов в фотоизомеризующихся фоторецепторах — ретиналь протеинах и билипротеинах фитохромах, хромопротеинах с гибкими линейными хромофорами (Sineshchekov, V. A. (1995)). Это направление исследования является и в настоящее время основным в работе нашей группы.

Основные направления исследований:

Текущие исследования в группе концентрируются вокруг одной из наиболее элегантных фотобиофизических и фотобиохимических проблем — выяснения механизма работы ключевого фоторецептора растений фитохрома. Образ жизни фотосинтезирующих растений определяется тем, что они являются автотрофами и закреплёнными в пространстве организмами. В связи с этим адаптация растений к условиям окружающей среды осуществляется за счёт исключительной пластичности их роста и развития в соответствии со спектральным составом света, его интенсивностью, направлением и периодичностью освещения. Эта информация собирается целой палитрой фоторецепторов, активных в разных участках солнечного спектра, наиболее важным и глубоко изученным из которых является фитохром – хромопротеин с гибким пигментом билином, фотоизомеризация которого (под действием красного света) приводит к структурным и спектральным изменениям фоторецептора, тем самым функционально активируя его. Процесс активации фотообратим дальним красным светом, делая фоторецептор эффективным молекулярным включателем/выключателем.

Активированный светом фоторецептор модулирует через ряд интермедиатов экспрессию фотозависимых генов, тем самым изменяя характер роста и развития растения применительно к изменяющимся условиям светового окружения. Сложная картина функционирования фитохрома в общих чертах складывается. Однако, не смотря на приближающуюся к столетней историю изучения фитохрома, многие стороны его работы остаются далеко ещё неясными.

Наша группа исследует фитохром с использованием разработанного в группе уникального флуоресцентного метода, определяя содержание и свойства фоторецептора непосредственно в растительных тканях, без нарушения их целостности. Была обнаружена спектральная и фотохимическая гетерогенность фитохрома, открыты два типа (пула) фитохрома А (phyA) – ключевого компонента фитохромных системы, включающей в себя небольшое число изоформ фоторецептора (например, фитохромы A и B у гороха, А, B, С у риса, А, B, C, D, E у арабидопсиса). Установлены фотофизические и фотохимические свойства нативных пулов, ключевым для определения содержания которых в тканях оказалась неспособность одного из них к фотохимическим превращениям при температурах, близких к температуре жидкого азота (77-85 К). Этот низкотемпературный флуоресцентный и фотохимический подход в сочетании с использованием фитохромных мутантов и оверэкспрессоров позволил впервые (1) детально охарактеризовать феноменологические свойства каждого из пулов в различных органах и тканях двудольных и однодольных растений в ходе их роста и развития, (2) определить возможный механизм пост-трансляционной модификации фоторецептора, приводящей к его дифференциации на два типа и (3) установить функциональные различия пулов и процессы взаимодействия с фитогормоном широкого профиля жасмонатом.

В настоящее время основное внимание нашей группы направлено на установление точных структурных различий двух типов фитохрома А, определяющих их физико-химические и функциональные особенности. Исследования проводятся в гетерологической системе экспрессии — клетках трансгенной E. coli — с целью получения индивидуальных фракций каждого из пулов с последующим их выделением в чистом виде и детальным структурным и физико-химическим анализом. Продолжаются исследования фотофизиологических реакций в растениях, включая регуляцию биосинтеза хлорофилла и формирование фотосинтетического аппарата. Предметом исследования является и взаимодействие фитохрома с гормональной системой растений. Работа проводится в тесной научной кооперации с рядом ведущих мировых лабораторий, специализирующихся в этой области фотобиологии.

Исследования в указанном направлении представляются важными и перспективными как в фундаментальном плане для понимания функциональной организации фитохромной системы, так и в практическом — в технологии светокультуры, а также в оптогенетике и медицине. В последнем случае фитохром представляет собой новый и перспективный тип регулируемых молекулярных включателей и внутриклеточных переносчиков, а также флуоресцентный зонд, работающий в наиболее прозрачном для животных тканей спектральном интервале.

Основные методы работы:

Основной инструмент исследования– флуоресцентная и абсорбционная спектроскопия, используемая в широком температурном интервале от температуры жидкого азота до комнатной, объектами служат растения разных видов, дикого типа и мутанты по фоторецепторам. Измерения флуоресценции пигментов проводятся на высокочувствительном спектрофлуориметре Horiba Jobin-Yvon FluoroМax-4P, поставленного в рамках Программы развития МГУ.

Список статей

  1. Синещеков, В. А. (2013). Фитохром А: полиморфизм и полифункциональность. М.: Научный мир, 162.
  2. Sineshchekov, V. A., Koppel, L. A., & Bolle, C. (2016). Two native types of phytochrome A, phyAʹ and phyAʹʹ, differ by the state of phosphorylation at the N-terminus as revealed by fluorescence investigations of the Ser/Ala mutant of rice phyA expressed in transgenic Arabidopsis. Functional Plant Biology, 45(2), 150-159.
  3. Sineshchekov, V. (2018). Two molecular species of phytochrome A with distinct modes of action. Functional plant biology, 46(2), 118-135.
  4. Синещеков, В. А., & Беляева, О. Б. (2019). Регуляция биосинтеза хлорофилла фитохромом А. Биохимия, 84(5), 648-667.
  5. Sineshchekov, V. A., & Bekasova, O. D. (2020). Two Distinct Photoprocesses in Cyanobacterial Bilin Pigments: Energy Migration in Light-Harvesting Phycobiliproteins versus Photoisomerization in Phytochromes. Photochemistry and photobiology, 96(4), 750-767.
  6. Sineshchekov, V., Koppel, L., Riemann, M., & Nick, P. (2021). Phytochrome A and its Functional Manifestations in Etiolated and Far-red Light-grown Seedlings of the Wild-type Rice and its Hebiba and Cpm2 Mutants Deficient in the Defense-related Phytohormone Jasmonic Acid. Photochemistry and Photobiology, 97(2), 335-342.

Состав группы

Руководитель группы профессор, д.б.н. В. А. Синещёков
Ведущий научный сотрудник к.б.н. Л. А. Коппель

Комнаты №№: 165