Gene expression and signal transduction (4 hr) - Basic of plant gene expression - Fundamental of plant signal transduction - Phytochrome and blue-light responses in plants

พืชมีระบบรับรู้ปัจจัยสิ่งแวดล้อม การรับสัญญาณ (signal perception) การถ่ายทอดสัญญาณ (signal transduction) การรับรู้สัณญาณ ใน eukaryote เมื่อเกิดการจับกันระหว่าง signal กับ ตัวรับสัญญาณ หรือ receptor การเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของ receptor จะนำไปสู่กระบวนการ signal transduction ซึ่งโดยทั่วไปมักเป็นการเพิ่มปริมาณของโมเลกุลกลุ่ม second messenger ได้แก่ cyclic nucleotides, inositol trisphosphate และ calcium ซึ่งทำหน้าที่ขยายขนาดสัณณาณให้มากขึ้นเกิดการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลต่าง ๆ ต่อเนื่องเป็นทอด ๆ จนนำไปสู่ การตอบสนองระดับเซลล์ ซึ่งมักเกิด gene expression Signal transduction เป็นกระบวนการที่ทำหน้าที่อะไร > เป็นตัวประสานระหว่างสัญญาณทั้งจากสิ่งแวดล้อมและจากระยะการเจริญกับการแสดงออกของยีน (ใน prokaryote มี sensor protein และ response regulatory protein ซึ่งสื่อสารกันด้วยปฏิกิริยา protein phosphorylation) การตอบสนองต่างๆ (gene expression, responses)

Receptors ตัวรับสัญญาณแบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ cell surface receptor สัญญาณที่เป็น water soluble molecule นั้นจะจับกับ cell surface receptor intracellular receptor สัญญาณที่เป็น lipophilic molecule นั้นจะแพร่ผ่านเยื่อเข้ามาได้จะจับกับ intracellular receptor protein

การตอบสนองจะเป็นแบบใดขึ้นอยู่กับ ระยะเวลาที่ได้รับสัญญาณ

Molecular switches active- inactive form ตัวอย่าง ลักษณะการสื่อสารด้วยสารเคมีผ่านกระบวนการ signal transduction เมื่อ signal จับกับ receptor จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุล receptor ที่นำไปสู่ การเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลต่อไป เช่น G protein (ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีการเปลี่ยนรูปไปมาระหว่าง active และ inactive ขึ้นกับว่าจับกับ GTP หรือ GDP) เมื่อ G protein จับกับ receptor จะเกิดการหลุดออกของ α-subunit ซึ่งโมเลกุลนี้เป็น GTPase จึงไปกระตุ้นให้ effector enzyme ที่ชื่อ adenylyl cyclase ทำงาน เมื่อเอนไซม์นี้ทำงานมากขึ้นจึงมีผลให้ cAMP เพิ่มขึ้น และ การเพิ่มปริมาณของ cAMP ไปกระตุ้น protein kinase ทำให้เกิด phosphorylation โปรตีนที่เป็น gene regulatory protein ต่าง ๆ ในพืชพบกระบวนถ่ายทอดสัญญาณผ่าน G protein แต่ยังไม่พบหลักฐานการมี RTKs แต่พบโมเลกุลอื่น ๆ ที่คล้ายกัน Five parallel intracellular signaling pathways activated by G-protein-linked receptors, receptor tyrosine kinases, or both In this schematic example, the five kinases (shaded yellow) at the end of each pathway phosphorylate target proteins (shaded red), some of which are phosphorylated by more than one of the kinases. The specific phospholipase C activated by the two types of receptors is different: G-protein-linked receptors activate PLC-β, whereas receptor tyrosine kinases activate PLC-γ (not shown).

Second messenger ตัวอย่างโมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็น second messenger ได้แก่ 3′,5′-cyclic AMP (cAMP); 3′,5′-cyclic GMP (cGMP); nitric oxide (NO); cyclic ADP-ribose (cADPR); 1,2-diacylglycerol (DAG); inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3); และ Ca2+ second messenger เป็นเหมือนตัวสัญญาณลำดับที่ 2 ที่เพิ่มขึ้นเพียงชั่วคราว (transient secondary signals) ภายในเซลล์ แล้วมีผลอย่างมากในการขยายสัญญาณให้ชัดเจนขึ้น ตัวอย่างเช่น ฮอร์โมนหนึ่งโมเลกุลอาจกระตุ้นการทำงานของเอนไซม์ได้โดยผ่านขั้นตอนการเพิ่มขึ้นเป็นจำนวนกว่า 100 โมเลกุลของ second messenger หนึ่งหรือสองชนิด ซึ่งการเพิ่มขึ้นที่เกิดขึ้นเพียงชั่วคราวนี้ การกระตุ้นให้เอนไซม์ active หรือ ให้เกิดการแสดงออกของยีน

การงอกของเมล็ด lettuce ในภาวะแสงต่าง ๆ การทดลองที่พบว่าชนิดแสงมีผลต่อการงอกของเมล็ด lettuce และนำไปสู่การค้นพบ phytochrome ที่เป็น photoreceptor

Photomorphogenesis http://www.uwsp.edu แสงมีผลต่อการกำหนดรูปแบบการเจริญเติบโตของพืช กระบวนการเกิดรูปร่างที่กำหนดด้วยแสงนี้เรียกว่า photomorphogenesis http://www.uwsp.edu

ผลของชนิดแสงต่อ photomorphogenesis ของต้นกล้า Arabidopiss http://www2.mcdaniel.edu/Biology/appliedbotany/reponsetoenv/response.htm

Photoreceptor มีสองกลุ่ม คือ phytochrome และ blue-light receptor

บริเวณเนื้อเยื่อที่มีกิจกรรมการเจริญมาก ๆ เช่น บริเวณปลายยอด และปลายราก จะมี ปริมาณ phytochrome มาก

Photoreceptor: Phytochrome (red, far-red, blue light) โปรตีนที่ดูดกลืนแสงสีแดง สีแดงไกล และสีน้ำเงิน (red, far-red, blue light)

Pfr: Ptotal

รังสีหรือพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าแยกตามความยาวคลื่นต่างๆ

Smith H. Nature 407, 585-591

Photomorphogenesis + Light  มีจำนวนโฟตอนของแสงสี แดง+ น้ำเงิน มาก Pfr: Ptotal สูง Pfr: Ptotal ต่ำ

Figure 15-79. When activated by light, the phytochrome, which is a dimer, phosphorylates itself and then moves into the nucleus, where it activates gene regulatory proteins to stimulate the transcription of specific genes. (Alberts et al., 2002)

http://www.bio.miami.edu/dana/226/226F09_14.html

Jiao Y. et al. Nature Reviews Genetics 8, 217-230

บทบาทของไฟโทโครม การยืดตัวเพื่อหนีร่มเงา (Shading avoidance) สัดส่วนของ Pfr: Ptotal ที่ลดลง ทำให้พืชเติบโตด้านความสูง การงอกของเมล็ด (Seed germination) สัดส่วนของ Pfr: Ptotal ที่เพิ่มขึ้นกระตุ้นการงอกของเมล็ด การหลับของใบ (Sleep movement) สัดส่วนของ Pfr: Ptotal ที่ลดลง กระตุ้นการหุบก้านใบ

Figure 1. Photomorphogenesis as a morphological and as a cellular process. The left photos show the change in form of an Arabidopsis thaliana seedling grown in darkness (top) or in white light. The right hand illustration shows the change in chloroplast structure and diagrams the progress of light signals through two receptor systems, cryptochrome and phytochrome. Adapted from Biochemistry and Molecular Biology of Plants, (c) American Society of Plant Biologists, with permission.

Blue light responses ภาพการทดลอง

การเบนตามแสง

Photoreceptor: blue light receptors Cryptochrome Phototropins Zeaxanthins

action spectrum ของการเบนตามแสง ซึ่งเป็นการตอบสนองต่อแสงสีน้ำเงิน ซึ่งมีลักษณะเฉพาะตัว คือ มีรูปแบบที่เรียกว่า three-finger pattern ในช่วงความยาวคลื่น 400-500 nm action spectrum เป็นกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างการตอบสนองทางชีววิทยากับชนิดแสง ในที่นี้ response คือ การโค้งของ coleoptile

Absorption spectrum ของ zeaxanthin เป็นกราฟความสัมพันธ์ระหว่างชนิดแสงกับค่าการดูดกลืนแสง จากรูปแบบของเส้นกราฟจะเห็นว่า zeaxanthin มีค่าการดูดกลืนแสงสูงในช่วง 400-500 nm เช่นเดียวกับ action spectrum ของ blue-light response

นิสิตควรฝึกทำความเข้าใจผลการทดลอง ทำความเข้าใจกราฟและการทดลองว่าต้องการแสดงข้อสรุปว่าอย่างไร

ตัวอย่างผลการทดลองให้นิสิตฝึกทำความเข้าใจกราฟและการทดลองว่าออกแบบมาเพื่อพิสูจน์สิ่งใด และผลการทดลองได้ข้อสรุปว่าอย่างไร

ตัวอย่างผลการทดลองให้นิสิตฝึกทำความเข้าใจกราฟและการทดลองว่าออกแบบมาเพื่อพิสูจน์สิ่งใด และผลการทดลองได้ข้อสรุปว่าอย่างไร

กราฟนี้ แสดงให้เห็นว่าการเปิดปากใบเป็นการตอบสนองที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปของ blue light receptor จาก inactive เป็น active form ในลักษณะเดียวกันกับ phytochrome