Фитоглобин

Фитоглобины (сокращенно Phytogbs или Pgbs, в единственном числе - Phytogb или Pgb) были найдены как в водорослях, так и в наземных растениях. Они разделяются на несколько классов: Phytogbs0, Phytogbs1 и Phytogbs2, симбиотические фитоглобины и леггемоглобины (сокращенно Lbs), которые структурно сходны с Phytogbs2, и Phytogbs3.[3] Phytogbs0 найдены у водорослей, мохообразных и голосеменных. Phytogbs1 и Phytogbs2, видимо, произошли от Phytogbs0 и обнаружены у покрытосеменных. Симбиотические фитоглобины (в частности, Lbs) - специализированные фитоглобины, локализующиеся в клубеньках азотофиксирующих растений, например, тех, что устанавливают симбиотические связи с актиномицетами, и бобовыми, которые устанавливают симбиотические ассоциации с клубеньковыми бактериями. Phytogbs3 обнаружены в водорослях и наземных растениях[4].

Фитоглобины кодируются генами, содержащими 3 интрона (хотя у мха Physcomitrella patents был обнаружен ген phytogb, содержащий 4 интрона).[5] Первый и третий интрон гена phytogb локализованы в таком же положении, что и у генов миоглобина, что говорит о том, что гены фитоглобинов и миоглобинов эволюционировали от общего предка и разошлись более чем 600 миллионов лет назад.[6] Существование второго интрона в гене phytogb было предсказано в ходе теоретического анализа,[7] которое в дальнейшем было подтверждено путем клонирования и секвенирования гена соевого леггемоглобина.[8]

Фитоглобины -  мономерные белки, молекулярная масса которых колеблется от ~17 до ~19 кДа. Однако, при высоких (более 1 мМ) концентрациях фитоглобины могут образовывать димеры. Полипептидная цепь фитоглобина складывается в определенную последовательность из 6 или 7 спиралей (обозначаются буквами от A до H), которые образуют глобиновую укладку, формируя гидрофобный карман, где располагается гем. У фитоглобинов было выявлено два типа укладки: 3/3-укладка, у которой спирали А, Е и F пересекаются со спиралями B, G и H, и 2/2-укладка, у которой спирали B и Е пересекаются со спиралями G и H.

Как и другие глобины, пента-координированный фитоглобин обратимо связывает и транспортирует O₂. Функция леггемоглобина в клубеньках была установлена в 1974 году Виттенбергом, Эпплби и другими.[9] В клубеньках концентрация леггемоглобина очень высока и может достигать ~30% от общего растворимого белка. Функция lbs в узелках заключается в содействии диффузии О₂ для дышащих бактерий, осуществляющих азотфиксацию. В то же время, леггемоглобин способствует поддержанию минимальной концентрации О₂ (~10 нМ), чтобы избежать инактивации О₂-чувствительной нитрогеназы, которая фиксирует атмосферный азот.[10]

Кроме того, фитоглобины связывают другие газообразные лиганды, в первую очередь оксид азота (NO), и демонстрируют NO-диоксигеназную активность, в результате которой NO превращается в нитрат.[11] В работах Хилла и его сотрудников, проведенных за последние ~15 лет, было показано, что уровень эндогенного NO в трансгенной кукурузе и люцерне зависит от концентрации Phytogbs1.[12] Исходя из этих наблюдений, авторы предположили, что функция оксигенированного фитоглобина заключается в модулировании уровня NO через NO-диоксигеназную активность и что фитоглобины косвенно регулируют множество клеточных функций, которые зависят от уровня NO. Метаболический цикл, включающий нитратредуктазу, реакцию восстановления нитрита до NO и оксигенирование NO с образованием нитрата получил название цикла фитоглобина и оксида азота[13]. Его функционирование приводит к поддержанию уровня АТФ в гипоксических условиях и снижению образования этанола и молочной кислоты[14].

Phytogbs0, 1, 2 и 3 синтезируются в очень малых концентрациях в различных (как эмбриональных, так и вегетативных) органах растений.[15][16][17] Однако концентрация фитоглобина увеличивается в различных стрессовых условиях, например при наводнении[18] или уменьшении света.[19]Таким образом, некоторые фитоглобины рассматриваются как растительные стресс-чувствительные белки.

В работах Арредондо-Питера, Виноградова и соавторов были освещены возможные крупные события в ходе эволюции фитоглобинов.[20][21][22] В растениях были идентифицированы две эволюционные ветви фитоглобина: ветвь, объединяющая белки с 3/3-укладкой (Phytogb0, 1 и 2 и симбиотические фитоглобины), и ветвь Phytogb3 с 2/2-укладкой. Видимо, Phytogbs0 является предковой формой для Phytogbs1 и 2, в то время как симбиотические фитоглобины (в том числе Lbs) структурно сходны с Phytogb2 и адаптировались к симбиотической азотфиксации. Сравнительный анализ структуры Phytogb0 мха с Phytogb1 риса и Lb сои показал, что крупные эволюционные изменения, которые, возможно, произошли в ходе эволюции Phytogbs0, 1 и 2, SymPhytogbs и Lbs, заключались в (I) переходе гемовых групп из гекса-координированных в пента-координированные, (II) уменьшении CD-петли, и (III) компактизации белка в глобулярную структуру. Кроме того, структура глобинового домена Phytogbs3 очень похожа на структуру бактериального глобина, что указывает на то, что 2/2-складка сохраняется в ходе эволюции Phytogbs3. Однако глобиновый домен Phytogbs3 наземных растений фланкирован дополнительными аминокислотными последовательностями. Функциональное и эволюционное значение дополнительных аминокислотных последовательностей у Phytogbs3 до сих пор не известно.

Фитоглобины являются потенциально полезными для целого ряда биотехнологических приложений. Например, открытый в рисе Phytogbs1 использовался как о₂-датчик в электронных устройствах. Кроме того, повышение экспрессии фитоглобина рассматривается в качестве стратегии для увеличения устойчивости посевов культурных растений к определенным стрессовым условиям, таким как наводнения.