Формирования ответных реакций

7. Kuznetsov Vl.V. and Shevyakova N.I. Stress responses of tobacco cells to high
temperature and salinity. Proline accumulation and phosphorylation of polypeptides // Physiologia Plantarum. V. 100. № 2. P. 320–326.
РЕГУЛЯТОРНЫЕ ПРИНЦИПЫ
ФОРМИРОВАНИЯ ОТВЕТНЫХ РЕАКЦИЙ
ПРИ ТЕПЛОВОМ ШОКЕ РАСТЕНИЙ
А.П. Веселов
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского, Н.Новгород,
факс (8312)65-85-92, e-mail: veselov@unn.ac.ru
Вопрос о регуляторных принципах, определяющих переход растения
в состояние стресса, в частности, при тепловом шоке, в настоящее время
является достаточно дискуссионным. Одним из наиболее общих и универсальных способов регуляции в биосистемах является авторегуляторное гомеостатирование. Вместе с тем, в ряде работ развивается представление о том, что стресс, это особое состояние жизнедеятельности
растения в котором принципы гомеостатирования не выполняются и
переход в которое осуществляется на основе триггерного переключения
[1]. Теория биологических триггеров, применительно к необратимым
переключениям в генетическом аппарате и процессам смены программ
развития, была детально разработана Д.С. Чернавским с соавторами.
Однако, целый ряд особенностей перехода растения в состояние стресса, такие как обратимость при возвращении условий среды к норме, эквивалентность ответа интенсивности внешнего стрессового воздействия, выполнение определенной функциональной цели за счет такого
перехода и др. не соответствуют свойствам триггера необратимых генетических переключений.
В связи с вышеизложенным разработана математическая модель
возможного механизма, способного скачкообразно, как триггер, но обратимо переводить растение в новый режим функционирования
(стресс), функциональной целью которого является поддержание гомеостаза организма в экстремальных условиях среды.
В основу модели положена схема перекрестной регуляции работы
двух генов по механизму взаимной репрессии. Для упрощения в ней
принято, что репрессорами являются непосредственно конечные продукты экспрессии соответствующих генов, условно названные "белками
70
нормы" и "белками стресса". Кроме того, введено условие, что каждый
из этих "белков" может оказывать тормозящее действие на работу гена –
антагониста только совместно с неким универсальным "фактором репрессии". Предположено, что этот фактор может находиться в двух состояниях: а) обычная форма, в которой он является компонентом системы репрессии гена "белка стресса"; б) форма, в которую "фактор репрессии" переходит под влиянием "стрессового метаболита" и становится корепрессором гена "белка нормы". В свою очередь, "стрессовый
метаболит", согласно модели, накапливается в клетке пропорционально
интенсивности влияния внешнего стрессового фактора и удаляется под
воздействием "белка стресса".
Математически в наиболее общем виде, в форме безразмерных переменных, модель выглядит следующим образом:
dx 1
dt '
=
dx 2
dt '
=
dx 3
dt '
=
1
 x3
1 + α 
 a + x3

 ( x 2 ) 2

1

x3
1 + α  1 −
a + x3

− x1

 ( x1 ) 2

− x2
f (t ' ) − x 2 x 3
Соответствующие переменные обозначают содержание в клетке: х1
–"белков нормы", х2 – "белков стресса", х3 – "стрессового метаболита";
f(t') – интенсивность воздействия стрессового фактора; коэффициент α
характеризует чувствительность системы регуляции активности генов к
репрессирующему действию альтернативных белков, a – чувствительность системы модификации "фактора репрессии" к накоплению "стрессового метаболита".
С помощью разработанной модели исследовали динамику ответа системы на увеличение интенсивности воздействия "стрессирующего фактора", а также последующее возвращение его уровня к "норме". Имитацию
"неблагоприятного влияния среды" проводили, задавая при интегрировании начальные значения динамических переменных модели (х1, х2, х3)
равными их величинам в стационарном состоянии системы при "обычном" значении f(t') = 0,01; величину же параметра f(t'), отражающего ин71
тенсивность внешнего воздействия, принимали соответствующей "стрессирующему" уровню (0,1). Когда на систему, в которой изначально были
"обычные" пропорции составляющих её компонентов (много "белка нормы" (х1), мало "белка стресса" (х2) и "стрессового метаболита" (х3)), начинал интенсивно воздействовать внешний фактор f(t'), увеличивавший
скорость продуцирования "стрессового метаболита" (х3), соотношение
содержания "белков" (величин переменных х1 и х2 в модели) изменялось
на обратное исходному. Такое перераспределение происходило вследствие торможения прироста "белка нормы" и индукции синтеза "белка
стресса". При этом, содержание "стрессового метаболита" на некоторое
время становилось превышающим "обычный" уровень, а затем снова возвращалось к "норме", несмотря на сохраняющееся "стрессирующее" действие среды. Снижение уровня "стрессирующего фактора" f(t') до исходной величины приводило к восстановлению в системе "обычных" пропорций соотношения содержания в системе белков "нормы" и "стресса".
Этот возврат к "норме" белкового статуса сопровождался временным
уменьшением содержания "стрессового метаболита" ниже "нормы" с последующим восстановлением данного показателя до "обычного" уровня.
Вопрос о конкретных физиологических и биохимических компонентах подобной системы во многом остается неясным. По-видимому, за
счет её регулируется протекание в неблагоприятных условиях среды
прежде всего таких процессов, которые очень восприимчивы к отклоняющему внешнему воздействию, но разбалансировка которых может привести к катастрофическим для клетки последствиям. К числу таковых относятся, в частности, идущие в мембранах процессы перекисного окисления
липидов (ПОЛ), регулируемые сложным комплексом ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов [2]. Важная роль в осуществлении триггерных переключений у растений принадлежит также фитогормонам [3]. Поэтому расчеты, проведенные на математической модели, были сопоставлены с результатами экспериментальных исследований динамики изменения
продуктов ПОЛ и некоторых фитогормонов (ИУК, АБК) при тепловом шоке (42˚С) растений гороха.
Модель предсказывает, что на самых первых этапах после начала неблагоприятного внешнего воздействия должно происходить временное
увеличение ("всплеск") содержания "стрессовых" метаболитов в клетках
растений; в дальнейшем их уровень должен стабилизироваться или снижаться в связи с индукцией синтеза защитных белков. Проведенные нами
исследования показали, что именно такая динамика свойственна изменениям содержания первичных продуктов ПОЛ в хлоропластах гороха при теп72
ловом шоке в течение первого часа гипертермии [4]. Снижение уровня
продуктов липопероксидации в этих опытах совпадало по времени с
активацией ряда ферментов антиоксидантной защиты, в частности супероксиддисмутазы, и последующей индукцией их синтеза, что также
соответствует результатам моделирования.
Согласно предсказаниям модели, одним из условий "обратного переключения" метаболического триггера в режим "нормы" после прекращения
действия неблагоприятного фактора, является снижение в это время содержания "стрессового метаболита" ниже обычного уровня. Этот прогноз качественно хорошо подтвердился полученными экспериментальными данными по динамике изменений уровня диеновых конъюгатов (продуктов
ПОЛ) в хлоропластах гороха при возвращении растений в обычные температурные условия по окончании теплового шока.
Модель прогнозирует наличие (до определенных пределов) пропорциональной зависимости между интенсивностью внешнего воздействия и амплитудой "всплеска" уровня "стрессового метаболита", индуцирующего
ответ растения. Такая закономерность отчетливо прослеживалась в наших
опытах в отношении изменений содержания диеновых конъюгатов и фитогормона ИУК при различных температурах теплового шока в пределах от
38 до 45˚С.
Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными свидетельствует о способности модели хорошо воспроизводить многие важные закономерности переходов между состояниями "нормы" и
"стресса" у растений. К их числу относятся: торможение при стрессе синтеза одних белков и индукция образования других, безусловное возвращение
к исходному состоянию после нормализации условий среды, гормонально
–метаболический "всплеск" на "пусковой" стадии стресс-ответа, повышенная устойчивость в ранний постстрессовый период и ряд других. Это свидетельствует о высокой адекватности предложенной модели реальным механизмам регуляции и принципам развития ответных реакций растения
на воздействие экстремальных факторов среды при тепловом шоке. Математические зависимости, несколько сходные по некоторым своим
элементам с выведенными в обсуждаемой модели, были получены недавно при описании стохастической регуляции активности генов под
влиянием слабых электромагнитных полей [5]. Вероятно, обратимые
триггерные переключения при стрессе растений являются проявления
работы более общих и достаточно универсальных систем регуляции
активности генома у живых организмов.
73
В целом, результаты проведенных исследований позволяют заключить, что формирование ответных реакций теплового шока у растений
происходит по принципу авторегуляции и направлено на поддержание
клеточного гомеостаза, но мобилизация резервных защитных механизмов достигается за счет обратимого триггерного включения систем их
наращивания, сопровождающегося отключением некоторых обычных
процессов и синтезов.
Литература
1. Веселова Т.В., Веселовский В.А., Чернавский Д.С. Стресс у растений (Биофизический подход). М.: Изд -во МГУ, 1993. 144 с.
2. Барабой В.А. Механизмы стресса и перекисное окисление липидов // Успехи современной биологии, 1991. Т. 111. Вып. 6. С. 923–931.
3. Hausen H., Grossman K. Auxin – induced ethylene triggers abscisic acid biosynthesis and grouth inhibition // Plant Physyology, 2000. V. 124. P. 1437–1448.
4. Курганова Л.Н., Веселов А.П., Синицина Ю.В., Еликова Е.А. Продукты
перекисного окисления как возможные посредники между воздействием повышенной температуры и развитием стресс-реакции у растений // Физиология растений, 1999. Т. 46. № 2. С. 218–222.
5. Hasty J., Pradines J., Donik M., Collins J.J. Stohastic regulation of gene expression. In: Stochastic and chaotic dynamics in the lakes: STOHAOS / Ed. by
D.S. Broomhead e.a. Melville, New York: American Institute of Physics, 2000.
P. 191–196.
74