Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Фитоиммунология — Реакция сверхчувствительности как форма апоптоза

Реакция сверхчувствительности как форма апоптоза

 

Сверхчувствительность — это защитная реакция растения в ответ на заражение патогенами, проявляющаяся в быстрой локальной гибели клеток растения и сопровождающаяся накоплением в погибших клетках токсичес­ких продуктов. Растение как бы жертвует своей частью ради спасения це­лого. РС может быть фенотипически различной, варьируя от гибели отдельной клетки до распространения некротических зон, сопровождающегося ограниченной колонизацией патогена. Кроме этого, появление РС зависит от окружающих условий и в частности может ослабевать при условии высокой влажности. Вместе с клетками растения погибает внедривший­ся патоген.

Клеточная смерть известна с момента открытия клетки. Мертвые клетки коры дуба были описаны первооткрывателем клетки Гуком в 1665 г. В XIX веке уче­ные описали смерть клеток как процесс. В XX веке были выделены две формы клеточной гибели у животных: апоптоз, или программируемая клеточная смерть, и некроз, или патологическая гибель клеток, сопровож­дающаяся воспалением. Это открытие сыграло важнейшую роль в разви­тии современных представлений о клеточной гибели и приблизило к по­ниманию конкретных механизмов гибели на клеточном уровне. В настоя­щее время программируемая клеточная гибель известна у широкого кру­га представителей разных систематических групп живых организмов: у жи­вотных, растений, грибов, микроорганизмов, включая прокариот. Апоптоз возник у прокариот, по всей видимости, как защита от вирусов или от пов­реждающего действия активных форм кислорода (АФК), т.е. как механизм выбраковки клеток с избыточной продукцией токсичных форм одноэлектронного восстановления кислорода. В ходе эволюции расширялись фун­кции апоптоза. Гибель клеток имеет большое значение для эмбриогенеза, морфогенеза, дифференцировки, как отклик на неблагоприятные факто­ры среды, а также инструмент иммунного ответа. Широко известны при­меры апоптоза у растений — развитие ксилемы, флоэмы, формообразо­вание листьев, прорастание пыльцевой трубки (гибель клеток пестика на пути трубки),опадание листьев и созревание плодов. Исследования последних лет выявили много общего между апоптозом у животных и реакцией сверхчувствительности у растений.

Морфологические изменения клеток при апоптозе и некрозе

Типичные признаки апоптоза у животных — это конденсация и дробле­ние ядра, разрыв нити ДНК на олигонуклеосомные фрагменты, которые образуют «ДНК-лесенку» при электрофорезе, формирование апоптозных телец — мембранных структур, содержащих фрагменты ДНК. При этом цитоплазматическая мембрана остается интактной до образования апоп­тозных телец. Клетка, претерпевающая апоптоз, резко уменьшается в объе­ме, протопласт съёживается, а мембрана приобретает складчатость. Далее разрыхляется хроматин. Наблюдается увеличение уровня ядерного гетерохроматина и перемещение его к краям ядра. Ядерная ДНК разрыва­ется на фрагменты длиной приблизительно 50 тысяч пар оснований. В даль­нейшем такие фрагменты под действием Са2+-зависимой эндонуклеазы разрываются на олигонуклеосомные фрагменты длиною около 180 пар ос­нований. Апоптозные тельца с фрагментами ДНК мигрируют из центра клетки к ее периферии.

Все признаки апоптоза у животных выявлены у растений при реакции сверхчувствительности. Разрезание ДНК на длинные фрагменты отмеча­лось при сверхчувствительном отклике растений в ответ на заражение ви­русами, бактериями и грибами. В клетках зараженных растений при этом идентифицируются свободные З’-ОН концы, выявлена активация Са2+-за-висимой эндонуклеазы, обнаружены фрагменты ДНК длиной 50 тыс. пар оснований, а также олигонуклеосомные фрагменты, дающие характерную «ДНК-лесенку» при разгоне в агарозном геле. Для модельной системы то­мат – Alternaria alternata f.sp. lycopersici показано, что фрагментация ДНК с образованием олигонуклеосомных фрагментов происходит только в не­совместимых комбинациях растение-патоген (то есть при воздействии авирулентных штаммов гриба, но не вирулентных). Кроме того, были обнаруже­ны остаточные апоптозные тельца, мигрирующие к периферии клетки. У животных апоптозные везикулы поглощаются соседни­ми или специализированными клетками, такими как макрофаги. У расте­ний фагоцитозу препятствует клеточная стенка. При реакции сверхчувст­вительности плазмодесмы разрываются, а вокруг очага поражения обра­зуется перидерма (вследствие приобретения здоровыми клетками меристематической активности). Поврежденная клеточная стенка либо пол­ностью разрушается при участии гидролитических ферментов, действую­щих очень локально, либо укрепляется за счет целлюлозных утолщений, лигнификации, сшивки белков, отложения кремния. Упрочнение клеточ­ной стенки замуровывает проникшего патогена внутри клетки и затрудня­ет проникновение новых патогенов.

Важную роль в программируемой гибели клеток как животных, так и растений играют митохондрии. Под воздействием индукторов апоптоза резко снижается мембранный потенциал ми­тохондрий. Деполяризация обусловлено увеличением про­ницаемости внутренней мембраны митохондрий вследствие образования гигантских пор. Их диаметр позволяет пересекать мембрану веществам с молекулярной массой 1,5 кДа и ниже. Митохондриальный матрикс набуха­ет. Это вызывает разрыв наружной мембраны митохондрий. Следствие раз­рыва — высвобождение белков межмембранного пространства митохондрий, что является важным этапом апоптоза. Хлоропласты растений также могут принимать участие в непос­редственном регулировании программируемой гибели растительных кле­ток при реакции сверхчувствительности: предполагается участие хлоропластов как источников активных форм кислорода и координационного центра в гибели клеток растений при сверхчувствительном отклике. Высказываются предположе­ния и о роли других мембранных структур, например мембраны вакуоли тонопласта, в запуске механизмов гибели растительных клеток.

При некрозе объем клетки значительно увеличивается. Изменяется проницаемость цитоплазматической и вну­триклеточных мембран. Цитоплазма вакуолизируется. Повреждается тонопласт. Органеллы набухают и разрушаются. В дальнейшем мембраны разрываются, происходит дезинтеграция клетки. Остатки органелл лизируются. Содержимое клетки попадает в межклеточное пространство.

При некрозе не происходит активирования какой-либо генетической про­граммы. Апоптоз, напротив,— результат запуска определенной генетичес­кой программы. Обнаружены многочисленные позитивные и негативные регуляторные гены апоптоза. Эти гены могут непосредственно акти­вировать апоптоз через индукторы, блокировать через репрессоры, изме­нять метаболизм растений, влиять на сигнальные молекулы, их рецепторы или непосредственна на другие гены. Области гомологии между последова­тельностями регуляторных генов апоптоза у животных и растений редки. Это указывает на то, что либо у растений эволюционировали свои генети­ческие механизмы регуляции программируемой клеточной гибели, либо дивергенция генов зашла так далеко, что они уже не идентифицируются как гомологичные.

Системная приобретенная устойчивость. Приобретенная устойчивость развивается в растениях после первичной инфекции; при этом окружающие ткани или отдаленные части растения становятся устойчивыми к последующему заражению. Этот тип устойчивости является неспецифическим; он эффективен по отношению к различным стрессам и повторному заражению растений, прежде всего по отношению к биотическим и абиотическим факторам, которые индуцируют некрозы клеток и тканей растений.

О локальной приобретенной устойчивости первоначально упомянули Yarwood (1960) и Ross (1961) в отношении вирусной устойчивости. Системная приобретенная устойчивость была выявлена Ross (1961) для табака, зараженного вирусом табачной мозаики.

Сейчас становится понятным, что системная приобретенная устойчивость эффективна в отношении, вероятно, только биотрофных патогенов. Ее развитие опосредовано салициловой кислотой, но молекулярные и биохимические детали этого явления пока плохо понятны. Более того, заражение растений некротрофными патогенами, возможно, вообще не индуцирует системную приобретенную устойчивость, хотя для окончательного вывода необходимы дальнейшие исследования.

Mission News Theme by Compete Themes.