Plazmodesmas un vielu transports starp šūnām

http://www.jcb.org/cgi/content/full/154/3/480-a

Starpšūnu tilti starp oocītiem un pavadītājšūnām

Vielu transports starp šūnām

Augu šūnas sieniņa Šūnu sieniņa parasti nav nepārtraukta, jo tā

nodrošina ne tikai mehānisko izturību, bet arī vielu transportu starp šūnām. Daudzās vietās to šķērso kanāli, kurus sauc par porām. Poras izoderē plazmatiskā membrāna, veidojot kanālus, kas savieno kaimiņu šūnu citoplazmu. Tos sauc par plazmodesmām. Jaunās un augošās šūnās var novērot poru laukus.

Plazmodesmu lauksDr. Kenneth R. Miller Brown University

Plazmodesmas ir plaši aprakstītas jau šī gadsimta sešdesmitajos gados. Taču to uzbūve un funkcijas vēl pilnībā nav noskaidrotas.

Ilgu laiku domāja, ka tās, līdzīgi kā dzīvnieku šūnu gadījumā, spēj nodrošināt mazmolekulāru vielu difūziju, vai arī to bojājumu gadījumā pa tām izplatās augu vīrusi.

Plazmodesmas ļauj iedalīt augu organismu divos nodalījumos:

simplasts;

apoplasts.

Simplastu veido:

1. Citoplazma2. Kodols3. Plastīdas4. Mitohondriji5. Goldži komplekss

6. Endoplazmatiskais tīkls ar ribosomām7. Mikrosomas

8. Citas sīkākas organellas (sferosomas, mikrocaurulītes u.c.)

Augu_uzbuve_un_funkcijas, 2. lekcija

1. Šūnapvalka2. Vakuolas/ām3. Starpšūnu telpas

Apoplasts sastāv no:

Augu_uzbuve_un_funkcijas, 2. lekcija

SimplastsTiešākā izpratnē ar simplastu saprot to, ka augā ir apvienots citosols un endoplazmatiskā tīkla lumens.

Plazmodesmas parādās jau meristemātiskajās šūnās. Tādējādi meristemātisko šūnu citoplazmas ir apvienotas. Šim apstāklim ir liela loma augu morfoģenēzē. Plazmodesmas var veidoties arī starp augošām šūnām. Tad tās sauc par sekundārajām plazmodesmām.

Plazmodesmu novietojums

Plazmodesmu uzbūve

Plazmodesmu uzbūve

Plazmodesmas ārējo robežu veido plazmatiskā membrāna. Tās iekšpusē ir globulāras olbaltumvielas. Iekšpusē atrodas centrālā sprauga, kura galos ir nedaudz sašaurināta. Spraugas platums var mainīties. Tās vidējā daļā atrodas desmocaurulīte. Desmocaurulītes gali ir savienoti ar kaimiņu šūnu endoplazmatiskā tīkla kanāliem. Desmocaurulīti klāj globulāras olbaltumvielas. Desmocaurulītes diametrs var būt mainīgs, t.i., tā var būt atvērtā un aizvērtā stāvoklī.

Plazmodesmas ultrastruktūra

Endoplazmatiskais tīkls

Sekundārais šūnapvalks

Sekundārais šūnapvalks

Primārais šūnapvalks

Primārais šūnapvalks

Vidējā plātnīte

Plazmodesmas dobums

Desmocaurulīte

Augu_uzbuve_un_funkcijas, 2. lekcija

Plazmodesmas ultrastruktūra

Plazmodesmas ultrastruktūra

Plazmodesmas ultrastruktūra

Plazmodesmu bioģenēze

Haywood et al. The Plant Cell, Vol. 14, pp.S303-S325

Divdīgļlapju stumbra apikālo meristēmu (SAM) izveido trīs klonāli atšķirīgi šūnu slāņi. L1 slāņa (sarkanas) un L2 slāņa (zaļas) šūnas dalās antiklināli. L3 slāņa (zila krāsa) šūnas dalās visos virzienos. (Bowman and Eshed, 2000.)

Primāro un sekundāro plazmodesmu izvietojums stumbra apikālajā meristēmā. Primārā plazmodesma – (-); sekundārā plazmodesma – (+). (Lucas, 1995)

Augs- supracelulārs organismsValerie Haywood et al. The Plant Journal (2005) 42, 49–68

• Caur floēmu (tālais transports) augi transportē olbaltumvielas un RNS.• Transportu nodrošina plazmodesmas.• Pētījumu objekts ir sistēma ko veido pavadītājšūnas (CCs) un sietstobru (SEs) šūnas.• Šūnas savieno plazmodesmas veidojot kompleksu simplastisku sistēmu.• Pavadītājšūnās ir proteīni (ķirbjiem Cm, kas piesaista RNS molekulas un spēj

pārvietoties cauri plazmodesmām.

• Cauri plazmodesmām pārvietojas arī vīrusi izmantojot pārvietošanās proteīnus, kas piestiprināti pie nukleīnskābēm (MP).

• Giberelīna ietekmi nosaka gēna (gai) olbaltumvielas. • Mutantiem GAI nosaka giberelīnu signālceļu

bloķēšanu.• Ķirbim CmGAIP kompleksi pārvietojas caur floēmu

un uzkrājas apikālajā daļā.• Kompleksu uzkrāšanās nosaka lapu un augļu

morfoloģiju.

• RT PCR amplifikācijai izmantoja gēnu specifiskus praimerus.• CmrbcS parāda, ka nav floēma nav bojāta un saturs nav piesārņots

ar transkriptiem, kuri parādītos no šūnām bojājumu rezultātā.

Ķirbja vadaudu kūlītis.

Ca – kambijs; EP – floēmas ārpuse;

IP –floēmas iekšpuse; X - ksilēma.

CmGAIP transkripti uzkrājas floēmā. GFP zaļš, šūnu autofluorescece – sarkana. Kontrole bez praimera. Iedaļa 500 mikrometri.

CmGAIP floēmā

CmGAIP transkripti uzkrājas stumbrā. GFP zaļš, šūnu autofluorescece – sarkana. Kontrole bez praimera. Iedaļa 500 mikrometri.

CmGAIP stumbra audos

CmGAIP redzams gan sietstobros, gan pavadītājšūnās. Sietstobri – SE, pavadītājšūnas – CC.

Iedaļa 100 mikrometri.

CmGAIP sietstobru un pavadītājšūnu kompleksā

Eksperimenti ar potēšanu

CmrbcS parāda, ka nav floēma nav bojāta un saturs nav piesārņots ar transkriptiem, kuri parādītos no šūnām bojājumu rezultātā.

Krūmveida fenotips ar tumši zaļām lapām. DELLA domēna delēcija

Vielu transports caur plazmodesmām

Cauri plazmodesmām difundē mazmolekulāras vielas, kuru izmēri nepārsniedz 1000 D. Savukārt lielmolekulāru vielu (olbaltumvielu, RNS u.c.) un vīrusu pārvietošanā ir iesaistīti vairāki transporta mehānismi. Aktīna mikrofilamenti un mikrocaurulītes nodrošina šo daļiņu transportu līdz plazmodesmai. Acīmredzot, šīm daļiņām ir signālsekvences, kas nodrošina to piesaistīšanu pie plazmodesmas plazmatiskās membrānas globulārajām olbaltumvielām. Šīs iedarbības rezultātā sprauga kļūst platāka, kas ļauj tajā iekļūt šīm lielmolekulārajām vielām. Mehānismi, kas nodrošina lielmolekulāru vielu un vīrusu transportu cauri plazmodesmām, nav noskaidroti.

Šūnas – šūnas signāli (attēls kreisajā pusē) notiek apoplastā.Tur piedalās ligandes (sarkanie aplīši un zaļie kvadrātiņi), kuras difundē caur apoplastu un piesaistās šūnas plazmatiskās membrānas receptoru ārpusē. Tas iedarbina tālāko šūnas signālu pārneses kaskādi.Labās puses attēlā parādīts makromolekulu transports caur plazmodesmām. N – kodols.

(D) Šūnas – šūnas signāli redzami piemērā par ziedu homeotisko gēnu flo, kura ekspresija pētīta Antirrhinum stumbra apikālajā meristēmā. Ziedu vietā izveidojas IM, ja nenotiek flo ekspresija.Nestabilu flo – 613 mutāciju izraisīja ar transpozona (Tam3) inserciju gēna otrajā intronā.

Spontāna Tam3 atdalīšanās izraisa periklinālu himēru veidošanos. Vairumam šūnu ir flo – 613 mutācijas, bet atsevišķos sektoros redzama flo ekspresija. Normāla zieda attīstība ir atkarīga no tā, kurā stumbra apikālās meristēmas slānī notiek flo ekspresija. (Carpenter and Coen, 1990)

Šūnu likteņa determinēšana saknes apikālajā meristēmā.Tas ir saistīts ar makromolekulu pārvietošanos starp šūnām.Shēmā attēloti saknes šūnu tipi Arabidopsis saknes galiņā.

Transgēna Arabidopsis saknes gargriezums. Redzama SHR:GFP transkripcijas un translācijas lokalizācija saknē. Šūnu sieniņas (sarkanas) krāsotas ar propīdija jodīdu. Mērogs = 50 µm.

Cei - endoderma; Cor - serde; End - endoderma; Epi - epiderma; N - kodols.

Transgēna Arabidopsis saknes gargriezums, konfokāls multifotonu attēls.SHR:GFP fluorescence rāda, ka SHR:GFP uzkrājas endodermas kodolos. Mērogs 25 µm.

Shēmā attēlota SHR loma endodermas attīstībā. Stīlā izveidotais SHR var iekļūt šo šūnu kodolā vai pārvietoties uz blakus esošo šūnu slāni. Pārvietošanās notiek caur plazmodesmām. Tālāko plazmodesmu realizēto SHR transportu var bloķēt vairāki šūnas faktori. Tāpēc SHR uzkrājas endodermas šūnu kodolos un izraisa SCR transkripciju.

Dažādas molekulmasas olbaltumvielu un FITC-dekstrāni tika koinjicēti C. maksima dīgļlapu mezofila šūnās. FITC-dekstrāna komplekss pārvietojās 1-2 min laikā pēc injekcijas šūnā un parasti izplatījās vismaz 10 šūnās.Pirmais cipars rāda injekciju skaitu pēc kurām notika vielu transports uz citām šūnām. Iekavās parādīts kopējais injekciju skaits un pārvietošanās gadījumu procents.

http://www-plb.ucdavis.edu/labs/Lucas/pdfs/979.pdf

Selektīvs šūnas - šūnas transports nodrošina virālo MPs/MP-nukleīnskābju kompleksu un endogēno transkripcijas faktoru pārvietošanos starp šūnām.A – Šūnu tipi Arabidopsis saknes galiņa gargriezumā.B - Transgēna Arabidopsis saknes gargriezums. Redzama SHR:GFP transkripcijas un translācijas lokalizācija saknē. Šūnu sieniņas (sarkanas) krāsotas ar propīdija jodīdu. Mērogs = 50 µm.C - Transgēna Arabidopsis saknes gargriezums, konfokāls multifotonu attēls. SHR:GFP fluorescence rāda, ka SHR:GFP uzkrājas endodermas kodolos. Mērogs 25 µm. (Nakajima et al., 2001.)

D – TMV-MP-GFP ekspresija tabakas epidermas šūnās pēc bolistiskas bombardēšanas. Redzama šīs fluorescentās vielas pārvietošanās starp šūnām. (Crawford and Zambryski, 2001.)E – GFP bombardēšanas eksperiments ar brīvu GFP (27 kD) tabakas epidermas šūnās. Lēna GFP difūzija atspoguļo lēnu endogēnā NCAPs pārvietošanās iespēju. (Kotlizky et al., 2001.)

F – virālo MP (vMP) vai MP-nukleīnskābju kompleksi (vNA-MP) izraisa plazmodesmu mikrokanālu paplašināšanos un šūnas – šūnas transporta izmantošanu MP, MP-nukleīnskābju vai F-dekstrāna/GFP (dzelteni) pārvietošanai. CW – šūnas sieniņa, N – kodols.

G – Tetrametilrodamīna izotiocianāta (TRITC)–iezīmēta NCAP pārvietošanās izmantojot šūnas – šūnas transporta mehānismus.Transports ļauj pārvietot arī ar FITC iezīmēta dekstrāna (11kD) pārvietošanos. Dzeltenā krāsa norāda uz TRITC-NCAP un FITC-dextrāna ko-transportu. Bultiņa norāda injicēto šūnu. (Kragler et al., 1998.)

H - KN1 parāda NCAP īpašības;KN1-FITC mikroinjekcija (kreisā puse) vai KN1 + 20-kD FITC-iezīmēta dekstrāns mikroinjekcija (vidus) izraisījafluorescences parādīšanos blakus esošajās mezofila šūnās.Vielu transports bija bloķēts M6 KN1 mutanta gadījumā (labā puse). Bultiņa norāda injicēto šūnu. (Lukas et al., 1995.)

I līdz K - Biolistiskas bombardēšanas eksperimenti apstiprina hipotēzi par NCAPs transportu caur plazmodesmām. (Kim et al., 2002.)I - Fluorescentais signāls, kuru izraisa GFP-YFP (52 kD) proteīna ekspresija Arabidopsis epidermas šūnās nevar pārvietoties starp šūnām.J - Ierobežota GFP-KN1 (69 kD) kustība starp šūnām.K - GFP-KN1 šūnas – šūnas transports sīpola saknes epidermas šūnās.

L – Endogēni ekspresēti vai mikroinjicēti transportējamie proteīni (NCAPs) saistās ar plazmodesmu un izraisa mikrokanālu paplašināšanos. Tas ļauj NCAP iekļūt caur plazmodesmu blakus šūnā un ko-transportēt F-dekstrāna/GFP kompleksu. Šūnas proteīniem (CAP) nav iespējams saistīties ar plazmodesmu. CW – šūnas sieniņa, N – kodols.

M un N – NCAP izplatīšanās šūnās pēc to mikroinjekcijas vai bombardēšanas ar plazmīdām. ‘Mikroinjekcijas gadījumā 1 min pēc injekcijas proteīni ir vērojami tuvākajās 5 šūnās. Pēc 10 min tie ir radiāli izplatījušies 10 šūnu attālumā. Bombardēšanas gadījumā ir nepieciešamas 24 – 48 stundas, lai varētu novērot fluorescenci. NCAP transportē tikai uz tuvākajām divām šūnām.

MP/NCAP/RNP kompleksa transporta etapi.A – divpakāpju process: proteīnu struktūras veidošana un piesaistīšana pie plazmodesmas SEL motīva. Kreisā puse rāda NCAP pievienošanu (cross-linked) pie plazmodesmas, labā – MP/NCAP un zeltu konjugāta pievienošanu pie plazmodesmas. SEL motīvs ir novietots pie plazmodesmas atveres. Plazmodesmas aktivācija ar MP/NCAP kompleksu izraisa F-dekstrāna difūziju. (Kragler et al. 2000.)B – Fāgu transporta modelis, kas izmantots MP/NCAP transporta pārtraucošu peptīdu antagonistu izolēšanā.

Molekulārie čaperoni un plazmodesmas komplekss. Konkurence starp MP/NCAP/RNS paraugiem un peptīdu antagonistiem.

Intracelulārie procesi, kas ir saistīti ar MP?NCAP/RNP kompleksu nogādāšanu līdz plazmodesmas atverei. Vīrusu nfekcijas laikā MP-nukleīnskābju kompleksi veidojas ET derivētajos citoplazmatiskajos ķermenīšos. Citoplazmatiskie ķermenīši saistās ar mikrocaurulītēm pievienotajām olbaltumvielām (MAP). Šī sistēma nogādā MP-nukleīnskāju kompleksu šūnas perifērijā. Analoģiska sistēma darbojas, lai nogādātu NCAPs/RNP kompleksus uz kodolu vai citiem šūnu nodalījumiem.

RNP transports uz plazmodesmām un tā regulācja. Receptori novietoti uz endoplazmatiskā tīkla plazmodesmu tuvumā. Tie nosaka RNP pārvietošanu un pievienošanu pie plazmodesmas atveres, izmantojot SEL un translokācijas mašinēriju. Svarīgs etaps ir MP/NCAP strukturāla modificēšana, kuru veic plazmodesmām saistītā kināze. Tā nodrošina MP-nukleīnskābju kompleksa disociāciju un nukleīnskābju pievienošanos translokācijas kompleksam. Fosforilācija arī var bloķēt vēlāko NCAP šūnas – šūnas transportu. (Lee and Lucas 2001.)

Augu vaskulārais tīkls un sietobru darbības sistēma.Vaskulārais tīkls savieno tālu novietotus orgānus, nodrošinot barības vielu un nukleīnskābju molekulu transportu. Floēma transportē fotosintēzes produktus no lapām uz dažādiem akceptorie (sakņu un galotnes apikālās meristēmas, saknes, zieda orgāni, u. c.). Raustītās līnijas norāda šūnu vaskulāros aizmetņus, kuri diferenciācijas gaitā veido vaskulāros ceļus.

A - Bezkodola sietstobru šūnu veidošanās etapi. B – CC-SE kompleksa nobriešanas laikā veidojas zarotas plazmodesmas. Tas nodrošina specifiski kontrolētu makromoleku transportu iekšā un ārā no floēmas.C – SE galos veidojas sietstobru plātnītes. SE veidošanās laikā plazmodesmas tiek modificētas, lai izveidotu paplašinātas poras (SPP). SE stiepšanās laikā ap šīm plazmodesmām ir novietota kalloze. Kallozes atdalīšana ir saistīta ar sietstobru poru veidošanos, kuras izoderē plazmatiskā membrāna un nodrošina spiediena atkarīgu asimilātu transportu. (Lucas et al. 2001)

CC-SE plazmodesmu divējāda loma.