Detailní fungování molekulárního komplexu klíčového pro růst buněk popsali odborníci z našeho ústavu ve spolupráci s kolegy z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy a dalších institucí.

Navázali přitom na výzkum z roku 2008, v němž čeští vědci jako první na světě prokázali existenci bílkovinného komplexu zvaného exocyst v rostlinách. Výsledky výzkumu, v němž nyní úspěšně propojili experimenty s počítačovými simulacemi, zveřejnil renomovaný odborný časopis Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Spolehlivá a přesná nákladní doprava má obrovský význam pro fungování lidské společnosti. Totéž platí – s mírnou nadsázkou – i na úrovni jednotlivých buněk. V jejich případě je velmi důležitý transport látek z nitra buňky na povrch. Nákladem jsou zde hlavně komponenty pro stavbu buněčné stěny, ale také bílkoviny sloužící jako transportéry a receptory (vnímavé „antény“) na povrchu buňky. Tento materiál obvykle putuje v malých váčcích, které se na konkrétní „adrese“ připojují k plazmatické membráně a poté s ní splynou, čímž zásilku „vyloží“.

Díky tomu mohou rostlinné buňky růst určitým směrem, tvarovat se, vzájemně komunikovat a vytvářet komplexní těla rostlin. Cílený transport také pomáhá rostlinným buňkám v obraně proti útoku hub a bakterií pronikajících buněčnou stěnou.

Jak ale buňka zajistí, aby váčky dorazily na správnou adresu? Zásadní roli zde hraje bílkovinný komplex exocyst, který váčky k plazmatické membráně „ukotvuje“. Exocyst byl objeven roku 1996 u kvasinek a krátce nato u živočichů. V roce 2008 popsali existenci komplexu exocyst u rostlin vědci z Laboratoře buněčné biologie Ústavu experimentální botaniky AV ČR (ÚEB) a Přírodovědecké fakulty UK (PřF) pod vedením profesora Viktora Žárského. Ve studiu exocystu a jeho funkce v rostlinách jsou čeští vědci světovou špičkou dodnes, což dokazuje i nejnověji publikovaná práce.

V ní tento tým zkoumal podrobnosti vazby mezi rostlinným exocystem a lipidy, což jsou látky tukové povahy, obsaženými v plazmatické membráně. „Kombinovali jsme biochemické, molekulárně-biologické a mikroskopické techniky s matematickým modelováním molekul a jejich interakcí. Výsledky získané modelováním jsme potom experimentálně ověřovali,“ vysvětluje Martin Potocký z ÚEB, který celý výzkum vedl.

Počítačová simulace časového průběhu interakcí mezi bílkovinou EXO70A1 (bíle) a plazmatickou membránou na povrchu buňky (fialové a šedé pruhy v horní části obrázku). Molekula bílkoviny nejdříve kontaktuje membránu jedním ze svých konců, označovaným jako C-konec, a poté se na ni pevně naváže. Časové údaje jsou uvedeny v nanosekundách, tedy miliardtinách sekundy. Autor: Roman Pleskot.

Rostliny versus živočichové a houby: shody i rozdíly

Vědci zjistili, že rostlinný exocyst získal během evoluce některé unikátní vlastnosti, kterými se liší od exocystu hub a živočichů, ačkoli u všech tří skupin organismů se tento komplex skládá z osmi různých proteinových molekul (podjednotek) a jeho celková architektura je podobná.

Další výzkum ovšem prokázal důležité rozdíly ve způsobu interakce s plazmatickou membránou. Zatímco u hub a živočichů vazbu na membránu řídí dvě podjednotky exocystu, u rostlin je dominantní pouze jedna. Na tuto podjednotku, označovanou EXO70A1, se proto badatelé zaměřili v další fázi projektu.

Detailní pohled na interakce mezi molekulami

Experimenty i počítačové simulace odhalily, že rozdílné části molekuly EXO70A1 mají různé funkce a interagují buď s plazmatickou membránou, nebo s ostatními podjednotkami exocystu. Podařilo se identifikovat konkrétní aminokyseliny (tedy stavební kameny bílkovinného řetězce) zodpovědné za vazbu na membrány.

„Zjistili jsme, že EXO70A1 se přednostně váže na dva specifické lipidy přítomné v plazmatické membráně. To bylo překvapivé, neboť u živočichů a hub plní stejnou funkci jiný, i když příbuzný lipid. Důvodem jsou nejspíš rozdíly v chemickém složení membrán,” popisuje Lukáš Synek z ÚEB, jeden ze tří hlavních autorů článku.

Schéma vazby exocystu na plazmatickou membránu buňky. Podjednotka EXO70A1 se váže na některé specifické lipidy – látky tukové povahy – přítomné v membráně (zvýrazněny barevně). Autoři: Roman Pleskot, Martin Potocký.

„Jako první jsme podrobně prozkoumali molekulární interakce mezi rostlinným exocystem a lipidovou membránou. Umožní nám to lépe pochopit regulaci růstu a vývoje buněk i celých rostlin. Velmi se nám osvědčilo propojení experimentů s počítačovými simulacemi. Tyto mezioborové přístupy úspěšně využíváme i při studiu jiných proteinových komplexů vázajících membrány,“ říká Roman Pleskot, další z hlavních autorů.

Na výzkumu se podíleli hlavně vědci a vědkyně z Laboratoře buněčné biologie ÚEB, z nichž část zároveň působí na PřF UK. Spolupracovali rovněž s kolegy z Vysoké školy chemicko-technologické v Praze a Ústavu biochemie a biofyziky Polské akademie věd.

Pohled na molekulu proteinu EXO70A1 s fialově vyznačenými místy, která se podle počítačových simulací nejsilněji vážou na plazmatickou membránu. Autor: Roman Pleskot.

* * *

Citace článku: Synek L., Pleskot R., Sekereš J. et al. Plasma membrane phospholipid signature recruits the plant exocyst complex via the EXO70A1 subunit. PNAS 118: e2105287118 (2021).

Publikováno online na https://doi.org/10.1073/pnas.2105287118 (placený přístup).

Text: autoři publikace, Jan Kolář (Ústav experimentální botaniky AV ČR) a Markéta Růžičková (Středisko společných činností AV ČR), úprava pro web Jan Kolář

Proteinový komplex exocyst zajišťuje transport látek z nitra buňky na přesně určená místa na jejím povrchu. Fotografie zachycují pokusnou rostlinu huseníček rolní a jeho orgány i buňky. V pozadí je model exocystu (světle hnědě a zeleně), který právě zakotvuje transportní váček (fialově) u plazmatické membrány na povrchu buňky. Autoři: Lukáš Synek, Roman Pleskot.