探索腺苷酸环化酶在生长素受体中的活性

当人类受到伤害时，他们会感到疼痛。在这些事件之间存在一系列间接接力反应。一个称为信号转导的类比集合存在于所有生物体中，包括植物。当刺激出现时，例如作为病原体攻击的草稿因素，植物通过受体接收此信息，对其进行分析，有时会将其放大并形成相应的反应。

因此，来自受体的信号激活多种元素，如蛋白质、离子、低分子化合物，通过这些元素将此信息传递给制定答案的效应器。此消息以定义的方式从一个元素传播到另一个元素。

植物骨牌

“这就像多米诺骨牌，”habil博士解释道。KrzysztofJaworski，NCU教授，托伦大学生物和兽医学院植物生理学和生物技术系主任。“在我们的案例中，致病因素是植物激素生长素，它是植物生长和发育的主要细胞内调节剂，就像推动多米诺骨牌的手指一样。”

“第一个块是受体，它的激活会移动其他块。在这条链的末端是一个小球，最后一个因素，它改变一组定义的基因的表达，抑制或激活蛋白质的形成影响生物体的最终生理反应。然而事实证明，关于第一块生长素受体的结构和功能的知识是不完整的，而生长素的手指的工作更复杂，我们正在研究中证明这一点。”

科学家们知道第二块会掉下来，但他们不知道第一块如何将能量传递给下一块的整个机制。为了做到这一点，腺苷酸环化酶必须发生，这是他们以前不知道的。

腺苷酸环化酶是一种从ATP产生环状AMP(cAMP)细胞的酶。cAMP是一种化合物，一种信号粒子，通过连接蛋白质，改变它们的活性，然后导致细胞过程的重排。

“20年来，科学家们一直认为生长素受体没有任何细胞内活性”，Jaworski教授的博士生MateuszKwiatkowski补充道。“我们已经证明他们确实拥有它。他们有一个具有腺苷酸环化酶活性的结构域，尽管环化酶及其产物如cAMP参与的过程仍未完全被发现。可以肯定的是，它们确实影响表型，这是植物的外观，主要是它们的根。作为对向地性的反应，它们参与抑制根系生长。”

国际团队的研究成果发表在《自然》杂志上。

除了波兰人，其他团队成员还有：考文垂大学的CharodelGenio，华威大学的MartinKubeš和RichardNapier，科学院的HuihuangChen,LukasHoermayer,ScottSinclair,MinxiaZou和LinlinQiiJíFrimlAustrii和Technology，他们是项目的主要创意者。

虽然合作的主要发起人是生长素领域的世界权威Friml教授，但来自NCU的波兰科学家在植物环核苷酸领域拥有丰富的经验，标记它们，分析环化酶和磷酸二酯酶，这些酶吃掉参与它们的酶代谢。在AdriannaSzmidt-Jaworska的监督下，habil博士的团队在15年多的时间里一直在扩展他们在该领域的知识。

“一开始很艰难。我们是寻找植物腺苷酸环化酶的先驱，”Jaworski教授说。“我们开始了我们的研究，并取得了一些小成就，开始证明我们是对的，环核苷酸和环化酶都是植物转导轨道的一个组成部分。这项工作得到了适当的生物信息学设备和高清检测技术的促进，例如液相色谱与串联质谱法(LCMSMS)相结合，可以在皮摩尔级别进行定量分析。”

事实证明，奥地利科学家利用托伦研究人员和佩鲁贾大学克里斯格林教授的经验，在生长素受体中发现了一个腺苷酸环化酶结构域。

“我们收到了带有模板的基因构建体，在此基础上我们在细菌中繁殖酶的重组形式，”理学硕士Kwiatkowski解释说。“我们清洗了它们并进行了所有必要的生化标记，设置了酶促反应的关键参数。同时，在定向诱变过程中，我们改变了蛋白质的结构，这意味着无论是在序列中还是在组中我们排除了三种功能氨基酸，它们完全带走了所研究的腺苷酸环化酶的活性。”

“到目前为止，在我们对腺苷酸环化酶的研究中，我们只关注认知方面，而没有提及这组酶的生理作用，”Jaworski教授补充道。“然而，在《自然》杂志中，它将我们迄今为止的成就联系起来，并将它们融合到现有的信息传递系统中。更重要的是，它改变了我们对植物激素信号的看法。我相信我们再好不过了。”

不仅是嗡嗡声

大约三十年前，当生物学家开始分析信号细胞时，NCU就开始了植物细胞信号的研究。钙离子和周期性AMP和GMP是所谓的信息传输器，它们响应刺激而出现片刻。早在20世纪70年代初就已证明植物细胞中存在环状核苷酸。尽管出现了许多关于同一问题的其他报告，但许多人对结果提出质疑。

“我认为这些疑虑是由于植物细胞中环状核苷酸的循环密度非常低，比动物细胞中的循环密度低1000倍，”Jaworski教授说。

“还需要补充的是，多年来一直没有工具可以精确标记如此低的密度。因此，一些科学家声称我们正在记录的是测量设备的嗡嗡声。目前，我们知道植物细胞中的环核苷酸是局部作用的，低密度似乎是合理的。我们不需要更多。它们会出现，启动反应，然后消失。因此，两组酶参与高效调控cAMP和cGMP的水平：环化酶负责它们的合成，磷酸二酯参与它们的失活过程。”

毫无疑问，发现这些酶的时刻是循环植物核苷酸研究的突破。正是格林教授让我们开始了这项研究，因为正是他在2003年通过实验证明植物细胞中存在一种酶，可以将GTP环化为循环GMP。成功之路并不容易，因为尽管有众所周知的氨基酸序列并拥有适当的生物信息学工具，但研究人员无法找到充分表征的动物环化酶和潜在植物环化酶之间的相似性。

“通过比较氨基酸序列来寻找这些相似性，”理学硕士MateuszKwiatkowski解释道。

格林教授采取了不同的方式。他声称，如果我们没有观察到序列的相似性，我们应该寻找一些氨基酸组，即所谓的功能氨基酸，例如负责底物结合的辅助因子。这中奖了!使用各种工具并观察功能氨基酸的放置方式，Gehring教授注意到他们的集合中存在某种依赖性。在这一发现的基础上，他创造了一种搜索动机，可以搜索和识别环化酶特有的蛋白质结构域。

2003年，Gehring教授鉴定并描述了第一个植物鸟苷酸环化酶。托伦团队的作品作为第二个出现。然而，在2013年，他们率先确定了植物腺苷酸环化酶的特征，并为此创造了自己的探索动机。

“一旦我们开始比较植物和动物环化酶的现有动机，就会发现存在两个显着差异，”Jaworski教授说。“首先，它们的域结构不同。其次，植物环化酶不构成单一蛋白质，这在动物界很常见。它们是多域功能蛋白的一部分。”

它们被描述为月光，意思是那些至少具有两种功能的东西。我们已经知道，一个蛋白质中可能有更多的功能域，这有待托伦的生物学家证明。“这种酶的发现并没有在科学界引起太多混乱，”Jaworski教授承认。

“如果只有少数几个中心处理这个问题，就很难处理这些信息——除了我们的团队之外，世界上还有其他四个中心。幸运的是，我们都合作，正如我们的一位同事所描述的那样——一个familyofcyclicalnucleotides.Now,anewcenterhasjoined.虽然它是从环化酶和环核苷酸开始它的冒险，但我们一起颠覆了以前关于生长素和环核苷酸问题的知识。我记得当它是一开始，在NCU只有Gehring教授和我们的团队。一开始我们之间有很多竞争，但后来我们强强联手。几年的合作非常顺利，我们一直在实现很多成功。年复一年，情况越来越好。”

正典的变化

科学家们刚刚从一个专门讨论生长素的会议回来，该领域的其他150名专家参加了会议。他们在那里展示了他们的研究结果，引起了很大的兴趣。

“生长素受体中环化酶结构域的发现改变了激素信号转导的规范观点，”Jaworski教授说。“现在，有必要考虑环核苷酸，它们现在发挥的不是非常重要的作用，而是非常关键的作用。”

MateuszKwiatkowski，理学硕士预测很快就会开始寻找植物激素中类似的活性中心。“在接下来的几年里，植物信号的植物激素转导的前景肯定会发生变化，”Jaworski教授说。

“我相信它会按照Mateusz提到的方式进行。我们也有充分的理由认为生长素的受体不是孤立的案例。我们可能期望大多数具有受体特征的蛋白质可以使用类似的机制，考虑到环化酶和环核苷酸的参与。不一定非得是腺苷酸环化酶。它可以是鸟苷酸。它的机制是一样的，只是减去一点点不同。”

“在我们的下一项研究中，我们希望专注于寻找效应物，这些效应物是与cAMP和cGMP相互作用的蛋白质，以及使该信号细胞失活的酶。一旦我们达到目标，植物细胞中的信号转导过程就会与植物激素和循环核苷酸的参与将不那么神秘，”MateuszKwaitkowski说。

来自托伦的科学家相信，在《自然》杂志上发表后，不会有人质疑植物中环化酶和环核苷酸的存在。“我非常满意，经过这么多年的工作，结果证明我们所做的是正确的，”Jaworski教授总结道。“我们知道Gehring教授也很知足，他常说：如果是环状核苷酸，那肯定还有调节它水平的酶。他没想到这么复杂，我们也没想到。”