Signalizacija z mRNA pri rastlinah

Uvod

Pri rastlinah imajo molekule RNA pomembno vlogo ne le znotraj posameznih celic, temveč tudi kot signali, ki omogočajo komunikacijo med celicami in usklajevanje odzivov na razvojne ter okoljske dražljaje. Poseben pomen imajo mobilne mRNA, ki se lahko premikajo tako lokalno kot sistemsko po rastlini in s tem sodelujejo pri regulaciji rasti in razvoja.

Prenos mobilnih mRNA v rastlinah

Prenos teh signalov poteka po dveh glavnih poteh. Na lokalni ravni se mRNA prenaša med sosednjimi celicami preko plazmodezem, medtem ko sistemski transport na dolge razdalje omogoča floem. Plazmodezme so specializirani, strogo regulirani kanali, ki povezujejo celice in omogočajo selektiven prehod makromolekul. Poleg lokalne signalizacije pa so pomembne tudi zato, ker povezujejo spremljevalne celice in sitaste elemente floema, kar omogoča širjenje signalov po celotni rastlini.

Med prvimi znanimi primeri mobilnih mRNA so bili tisti, ki kodirajo dva tipa transkripcijskih faktorjev: KNOTTED1 iz koruze, imenovan KN1, in NAC transkripcijski faktor CmNACP iz buče velikanke (Cucurbita maxima).

Molekularni signali, ki določajo mobilnost mRNA

Na transport mRNA vpliva več dejavnikov, kot so količina mRNA, dolžina, stabilnost, specifično zaporedje, struktura ali modifikacije transkriptov ter proteini, s katerimi interagirajo. Pri transportu skozi plazmodezme so ključni RNA-vezavni proteini, ki tvorijo ribonukleoproteinske komplekse (RNP) z mobilnimi mRNA in preko interakcij s plazmodezmami omogočajo njihov transport skozi njih.

Polipirimidinski RNA motivi

Določene lastnosti mRNA molekul spodbujajo nastanek RNP kompleksov in njihovo mobilnost. Na primer, polipirimidinski RNA motivi, kot sta na primer UAGGUUA in ACUUCU in se nahajajo v 3′-UTR regiji (neprevedeno območje) nekaterih mobilnih mRNA in omogočajo nastanek RNP kompleksov s polipirimidin vezavnimi proteini (PTB). PTB stabilizirajo interagirajoče mRNA in omogočajo njihov transport.

Sekundarna struktura mRNA

Torej mobilnost mRNA lahko omogoči tudi njena sekundarna struktura in ključne so sekundarne strukture v sami UTR regiji mRNA, kot so lasnica, psevdovozel ali terciarne strukture, kot sta tRNA ali strukture podobne tRNA (TLS). Te strukture imajo lahko visoko afiniteto do proteinov, ki vežejo RNA, kar pomaga pri transportu mRNA po floemu.

Strukture podobne tRNA (TLS)

Transkripti s TLS se lahko premikajo v oddaljene organe, kjer se tudi prevedejo. To se izkorišča pri sistemu, kjer podlaga izraža sgRNA in Cas9 mRNA s TLS, ki omogočajo prenos v cepič, kjer se Cas9 prevede in sproži gensko urejanje brez prisotnosti transgenov v semenih. Vendar niso vsa TLS zaporedja enako učinkovita – različne tRNA se razlikujejo v sposobnosti transporta po floemu. Na primer, tRNA za glicin in metionin sodelujeta pri transportu, medtem ko tRNA za izolevcin ne. Te razlike so povezane tudi z m5C modifikacijami, ki vplivajo na transportno sposobnost RNA.

Metilacija RNA

Pri sistemskem transportu po floemu ima pomembno vlogo m5C (metilacija citozina). Ta modifikacija nastaja na specifičnih motivih, ki jih prepoznajo metiltransferaze. m5C lahko poveča stabilnost mRNA, stabilizira njeno terciarno strukturo (zlasti na TLS območjih) ter spremeni obliko transkripta, kar omogoča vezavo proteinov za transport na dolge razdalje. Poleg tega preprečuje prezgodnjo translacijo med transportom, saj metilacije v kodirajoči regiji zavirajo prevajanje.

Mehanizem transporta mRNA skozi plazmodezme

MRNA se po rastlini transportira v obliki RNP kompleksa, ki potuje od celice do celice skozi plazmodezme. RNP kompleksi so preveliki za pasivno difuzijo skozi plazmodezme in je zato transport aktiven in selektiven. Sam proces transporta mRNA ima 4 ključne korake.

Tvorba RNP kompleksa

RNP kompleks je dinamična struktura sestavljena iz mRNA in proteina RBP (ki primarno stabilizira mRNA). Njuna skupna 3D struktura določa možnost prehoda skozi plazmodezme. Kompleks se tvori le s posebnimi tipi mRNA, ki imajo posebne motive (CU bogati motivi, TLS in m5C) ter z ustreznimi vezavnimi proteini. Primer tvorbe RNP kompleksa je PdWoxT1, to je gen, ki ima mobilno mRNA. Ta ima bogato CU zaporedje, ki omogoča tvorbo kompleksa s PbPTB3.

Strukturna prilagoditev kompleksa

Da lahko RNP sploh preide skozi plazmodezme je potrebna predpriprava kompleksa s šaperonini. Nahajajo se v celicah spremljevalkah in porabljajo ATP za aktivno spremembo konformacije proteinov. Ker so v večini primerov RNP delci večji od maksimalnega premera plazmodezm, se tako kompleks ustrezno prilagodi za lažji transport. V študiji so ugotovili, da so šaperonini nujno potrebni za transport RNP in da se v primeru utišanja podenot šaperonina, kompleks ne transportira. Ker je na molekularni ravni celica precej ogromna, je tudi pot RNP do plazmodezme regulirana z aktivnim transportom. Prvi primer transporta RNP je premik s procesom "hitchhiking". To je način transporta, kjer se RNP, ker nima lastnih motornih proteinov, veže na vezikle, ki do plazmodezme potujejo po aktinu oz. mikrotubulih. Drugi način prihoda mRNA do plazmodezme pa je neposredna lokalizacija. To je proces, v katerem je RBP lokaliziran neposredno na plazmodezmi, kamor se veže mRNA, ki pa lahko takoj preide skoznjo.

Regulacija prehoda skozi plazmodezme

Premer plazmodezme ni statičen. Po potrebi ga lahko celica poveča ali pa zmanjša. Pri tem procesu sodeluje protein PbANK. Ta s sodelovanjem z encimom PbPDBG uravnava premer prehoda. PbPDBG je β-1,3-glukanaza, ki razgrajuje kalozo (polisaharid, ki se nahaja v plazmodezmah). Razgrajevanje ne poteka naključno ampak zelo kontrolirano. PbANK deluje kot adapterski protein, ki pred prehodom interagira z RNP, s tem pa spodbudi delovanje encima, ki kalozo razgradi in tako poveča premer plazmodezme ter omogoči prehod.

Usmerjanje do ciljne celice

V kateri del rastline se bo mRNA transportirala je odvisno od njene funkcije. Pri lokalnem transportu se RNP prenese iz ene celice v sosednjo in deluje na majhnem območju rastline (npr. regulacija matičnih celic v meristemu), medtem ko sistemski transport poteka po floemu. Ta vrsta transporta poteka na daljše razdalje in je bolj kompleksen kot lokalni. RNP kompleks nastane v celicah spremljevalkah. Te se nahajajo ob sitastih in imajo vse organele (v njih poteka transkripcija in translacija). Sitaste celice so del floemskih cevi, so brez jedra, ribosomov, golgija in vakuol. RNP tako v tem primeru potuje iz celic spremljevalk v sitaste in tako vstopi v floem. Iz floema pa izstopi obratno, torej iz sitastih celic v spremljevalke in tako do tarčne lokacije.

Funkcija mRNA v rastlinah

Mobilne mRNA imajo v rastlinah pomembno vlogo kot signalne molekule, ki omogočajo prenos informacij med različnimi deli rastline. Ne delujejo zgolj kot matrica za sintezo proteinov, ampak lahko ob prihodu na ciljno mesto tudi okrepijo signal, saj se tam prevedejo v proteine. Tako rastlina ohrani odziv tudi, ko začetni dražljaj ni več prisoten. Tak mehanizem je posebej pomemben pri odzivih na okoljske spremembe. Raziskave so pokazale, da se določene mRNA prenašajo ob pomanjkanju hranil, suši, slanosti in biotskem stresu. Za uspešen transport mora mRNA ostati stabilna, pri čemer sodelujejo RNA-vezavni proteini in modifikacije RNA, ki preprečujejo razgradnjo in začasno zavirajo translacijo. Floem predstavlja primerno pot za transport, saj ne vsebuje ribosomov, zato se mRNA med transportom ne prevaja, poleg tega pa je aktivnost RNaz nizka, kar omogoča večjo stabilnost mRNA. Zunaj floema se mRNA molekule sčasoma razgradijo, kar vzpostavlja dinamično ravnovesje v rastlini.

Medorganizemska signalizacija z mobilnimi mRNA

Mobilne mRNA niso pomembne le za komunikacijo znotraj rastline, temveč lahko sodelujejo tudi pri izmenjavi signalov med različnimi organizmi. Tak prenos je posebej pomemben pri tesnih stikih, na primer med rastlino in parazitom ali patogenom, kjer lahko mRNA vplivajo na razvoj, obrambo ali uspešnost okužbe.

Signalizacija med rastlinami in paraziti

Pri parazitskih rastlinah, kot je prepletalka (Cuscuta), poteka izmenjava mRNA z gostiteljem preko haustorija. To je specializiran organ, ki prodre v tkivo gostitelja in se poveže z njegovim ksilemom in floemom. Tako omogoča prenos vode, hranil in signalnih molekul, vključno z mRNA. Raziskave z RNA-sekvenciranjem so pokazale obsežno dvosmerno izmenjavo mRNA med parazitom in gostiteljem. Med prenesenimi transkripti so tudi mRNA, povezane z metabolizmom, stresnim odzivom, razvojem haustorija, razmnoževanjem parazita in regulacijo interakcij med organizmoma. Med temi transkripti so tudi mRNA za NBS-LRR proteine, ki delujejo kot imunski receptorji rastlin. Ti proteini prepoznajo patogene in sprožijo obrambni odziv. Sestavljeni so iz N-terminalne domene, NBS domene za vezavo nukleotidov in LRR domene za prepoznavanje patogena. Ob aktivaciji pride do zamenjave ADP z ATP, kar sproži signalno kaskado, pogosto v obliki hypersensitive response (HR), kjer rastlina lokalno uniči okužene celice. Prisotnost teh mRNA v taki izmenjavi kaže, da lahko rastline prenašajo tudi komponente obrambnega sistema.

Signalizacija med rastlinami in mikrobi

Nedavne raziskave so pokazale, da rastline lahko z mikrobi komunicirajo preko ekstracelularnih veziklov (EV). To so majhni membranski vezikli, ki vsebujejo RNA, proteine in druge biomolekule ter se izločajo v apoplast. Glede na izvor ločimo različne tipe EV, med drugim eksosome in vezikle, ki nastanejo z odcepljanjem plazmaleme. Nedavne raziskave so pokazale, da EV vsebujejo tudi mRNA, ne le majhnih RNA. Pri Arabidopsis thaliana so v EV odkrili na stotine mRNA, povezanih z obrambo in stresnim odzivom. Pomembno je, da se te mRNA lahko prenesejo v patogene glive, kjer se prevedejo v proteine, ki zmanjšajo njihovo virulentnost. S tem rastlina aktivno vpliva na patogena na molekularni ravni.

Uporaba v kmetijstvu

Mobilne mRNA imajo velik potencial v kmetijstvu, kar se kaže že pri cepljenju rastlin. Cepič in podlaga si izmenjujeta številne mRNA, kar so dokazali z RNA sekvenciranjem in SNP analizo. SNP analiza temelji na prepoznavanju majhnih razlik v zaporedju DNA med cepičem in podlago, zato omogoča določanje izvora posameznih mRNA. Te mRNA sodelujejo pri procesih, kot so metabolizem, biosinteza in odziv na stres, ter lahko prispevajo k boljšemu pridelku in odpornosti rastlin. Ker nastajajo neposredno s transkripcijo, bi jih bilo ob boljšem razumevanju transporta mogoče lažje nadzorovati kot druge signalne molekule. V prihodnosti bi to lahko omogočilo ciljan prenos koristnih mRNA med rastlinami in izboljšanje lastnosti brez uporabe transgenih metod.

Zaključek

Mobilne mRNA so pomembne signalne molekule, ki omogočajo komunikacijo med celicami, organi in tudi med različnimi organizmi. Njihov transport je selektiven in odvisen od RNA motivov, struktur, modifikacij ter RNA-vezavnih proteinov. Sodelujejo pri razvoju, odzivih na stres in obrambi rastlin. Ker se lahko na ciljnem mestu prevedejo v proteine, okrepijo signalni odziv. Razumevanje teh mehanizmov odpira možnosti za izboljšanje odpornosti in prilagodljivosti rastlin v kmetijstvu.

Viri

1. Paul, Saikat, idr. »Tracking the Messengers: Emerging Advances in mRNA-Based Plant Communication«. Current Opinion in Plant Biology, let. 79, junij 2024, str. 102541. DOI: 10.1016/j.pbi.2024.102541.

2. DeYoung, Brody J., in Roger W. Innes. »Plant NBS-LRR Proteins in Pathogen Sensing and Host Defense«. Nature Immunology, let. 7, št. 12, december 2006, str. 1243–1249. DOI: 10.1038/ni1410.

3. N. Bolduc, S. Hake: The Maize Transcription Factor KNOTTED1 Directly Regulates the Gibberellin Catabolism Gene ga2ox1. Plant Cell 2009, 21, 1647–1658. DOI: 10.1105/tpc.109.068221

4. T. Wang, X. Li, X. Zhang, Q. Wang, W. Liu, X. Lu, S. Gao, Z. Liu, M. Liu, L. Gao idr.: RNA Motifs and Modification Involve in RNA Long-Distance Transport in Plants. Front. Cell Dev. Biol. 2021, 9. DOI: 10.3389/fcell.2021.651278

5. A. L. Burgess, R. David, I. R. Searle: Conservation of tRNA and rRNA 5-methylcytosine in the kingdom Plantae. BMC Plant Biol 2015, 15, 199. DOI: 10.1186/s12870-015-0580-8