Опины

Опины — это группа органических соединений, которые синтезируются в растительных клетках, заражённых определёнными видами почвенных бактерий рода Agrobacterium (в частности, Agrobacterium tumefaciens и Agrobacterium rhizogenes). Опины представляют собой конъюгаты аминокислот и сахаров или кетокислот, которые служат специфическим источником углерода и азота для бактерий, индуцировавших их образование. Образование опинов является ключевым элементом механизма горизонтального переноса генов от бактерий к растениям и лежит в основе развития таких заболеваний растений, как корончатый галл (опухоль) и «бородатый корень».

История открытия

Феномен опинов был впервые описан в 1970-х годах в ходе изучения механизмов опухолеобразования у растений, вызванного бактериями Agrobacterium tumefaciens. Исследователи Ж. Темпе, А. Пети и другие обнаружили, что в тканях корончатого галла накапливаются необычные соединения, которые не встречаются в здоровых растениях. Эти соединения были названы «опинами» (от греч. opos — сок, пища). Впоследствии было установлено, что синтез опинов кодируется генами, переносимыми бактерией в растительный геном, а сами опины метаболизируются исключительно бактериями, несущими соответствующие гены катаболизма. Это открытие стало важным шагом в понимании молекулярных механизмов паразитизма и симбиоза.

Химическая природа и классификация

Опины представляют собой низкомолекулярные органические соединения. По химической структуре они делятся на несколько основных классов, в зависимости от типа аминокислоты и сахара или кетокислоты, входящих в их состав.

Основные классы опинов

• Октапины — производные аминокислоты аргинина и пировиноградной кислоты. Пример: октапин (N2-(1,3-дикарбоксипропил)аргинин).
• Нопалины — производные аргинина и α-кетоглутаровой кислоты. Пример: нопалин (N2-(1,3-дикарбоксипропил)аргинин).
• Агропины — производные глутаминовой кислоты и маннопина. Пример: агропин.
• Маннопины — производные глутаминовой кислоты и маннозы. Пример: маннопин.
• Кукумопины — производные аминокислоты лизина и α-кетоглутаровой кислоты.
• Микопины — производные аминокислоты гистидина и α-кетоглутаровой кислоты.

Каждый штамм Agrobacterium обычно синтезирует один или несколько типов опинов, и спектр опинов, продуцируемых растением, является специфическим для данного бактериального штамма.

Механизм образования и роль в патогенезе

Образование опинов является центральным звеном в стратегии заражения растений бактериями рода Agrobacterium. Процесс включает несколько этапов:

1. Инфекция: Бактерия Agrobacterium проникает в растение через ранки на стебле или корнях.
2. Перенос Т-ДНК: Бактерия переносит в растительную клетку фрагмент своей плазмиды (так называемой Ti-плазмиды — tumour-inducing), называемый Т-ДНК (transfer DNA). Гены, входящие в состав Т-ДНК, интегрируются в ядерный геном растения.
3. Экспрессия бактериальных генов: В растительной клетке начинают экспрессироваться гены, кодирующие ферменты, которые синтезируют опины, а также фитогормоны (ауксины и цитокинины). Избыток фитогормонов вызывает неконтролируемое деление клеток, что приводит к образованию опухоли (корончатого галла) или, в случае Agrobacterium rhizogenes, к разрастанию корней (бородатый корень).
4. Синтез опинов: Внутри опухолевых клеток под действием бактериальных ферментов из аминокислот и сахаров или кетокислот, имеющихся в растении, синтезируются опины.
5. Питание бактерий: Опины выделяются из растительных клеток в окружающую среду. Бактерии Agrobacterium, несущие на своей Ti-плазмиде гены катаболизма опинов, используют их как единственный или основной источник углерода и азота. Таким образом, бактерия «заставляет» растение производить для себя питательные вещества.

Этот механизм является примером генетической колонизации: бактерия модифицирует метаболизм хозяина в свою пользу, не убивая его, а создавая постоянный источник пищи.

Значение в биотехнологии

Открытие механизма переноса Т-ДНК и образования опинов имело огромное значение для развития генной инженерии растений. Система Agrobacterium стала основным инструментом для создания генетически модифицированных (трансгенных) растений.

• Вектор для переноса генов: Ti-плазмиды Agrobacterium, лишённые онкогенных генов (генов, вызывающих опухоли), но сохраняющие способность к переносу Т-ДНК, используются в качестве векторов для введения чужеродных генов в геном растений.
• Маркерные гены: Гены синтеза опинов (например, нопалинсинтазы) часто используются в качестве репортёрных генов (маркеров) для подтверждения успешной трансформации растительных клеток. Если клетка начинает синтезировать опин, это означает, что в неё был успешно перенесён и экспрессируется чужеродный ген.
• Изучение регуляции генов: Система опинов используется для изучения механизмов регуляции экспрессии генов в растениях и взаимодействия растений с микроорганизмами.

Экологическая роль

В природе опины играют роль в экологии почвенных микроорганизмов. Они создают специфическую нишу для бактерий Agrobacterium, которые могут метаболизировать эти соединения. Другие микроорганизмы, как правило, не способны эффективно утилизировать опины, что даёт Agrobacterium конкурентное преимущество в зоне опухоли. Таким образом, опины способствуют формированию локального микробного сообщества, в котором доминирует возбудитель заболевания.

Интересные факты

• Название «нопалин» происходит от названия штамма Agrobacterium tumefaciens — Nopaline.
• Опины могут быть обнаружены в тканях растений спустя многие годы после заражения, даже если бактерии уже погибли.
• Существуют опины, которые синтезируются только в корнях растений, заражённых Agrobacterium rhizogenes (например, микопины и кукумопины).
• Изучение опинов привело к открытию явления горизонтального переноса генов между бактериями и эукариотами, что изменило представления о границах между царствами живых организмов.

Источники

1. Темпе Ж., Пети А. Опины — молекулярные маркеры в генетике растений. // Успехи современной биологии. — 1980. — Т. 89, № 2. — С. 161-176.
2. Гельфанд М. С., Миронов А. А. Молекулярная биология: учебник для вузов. — М.: Академия, 2008. — 480 с.
3. Zambryski P. Chronicles from the Agrobacterium-plant cell DNA transfer story. // Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. — 1992. — Vol. 43. — P. 465-490.
4. Dessaux Y., Petit A., Tempe J. Chemistry and biochemistry of opines, a new class of plant metabolites. // Phytochemistry. — 1992. — Vol. 31, № 5. — P. 1451-1459.