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一个由NCU生物学家组成的国际科学家团队在生长素受体中发现了腺苷酸环化酶的活性。这是植物激素信号研究的一个突破。
当人类受伤时，他们会感到疼痛。在这些发生之间有一系列间接的继电器反应。类似的信号转导系统存在于所有生物体中，包括植物。当一种刺激出现时，例如作为病原体攻击的干旱因子，植物通过受体接收这一信息，分析它，有时放大它，并形成相应的反应。因此，来自受体的信号激活了蛋白质、离子、低分子化合物等多种元素，通过这些元素，它将这些信息传递给形成答案的效应器。该消息以定义的方式在元素之间传递，这需要激活特定的“谷歌映射”。
这就像多米诺骨牌，挪威国立大学教授Krzysztof Jaworski博士说 。致病因素，在我们的案例中是植物激素生长素，植物生长发育的主要细胞内调节剂，就像推多米诺骨牌的手指。第一个方块是受体，它的激活会移动其他方块。在这条链的末端是一个小球，它是最终的因素，它改变一组特定基因的表达，抑制或激活影响生物体最终生理反应的蛋白质的形成。但事实证明，对第一个块(生长素受体)的结构和功能的了解并不全面，而生长素的作用则更为复杂，我们正在研究中证明这一点。科学家们知道第二块会掉下来，但他们不知道第一个木块是如何将能量转移到下一个木块的整个机制。为了做到这一点，腺苷酸环化酶必须接手，这是他们之前不知道的。腺苷酸环化酶是一种由ATP产生周期性AMP (cAMP)细胞的酶。cAMP是一种化合物，是一种信号粒子，通过连接蛋白质，改变蛋白质的活性，进而导致细胞过程的重排。
20年来，科学家们一直认为生长素受体没有任何细胞内活性，它们有一个具有腺苷酸环化酶活性的结构域，尽管环化酶及其产物如cAMP参与的过程还没有完全发现。可以肯定的是，它们确实会影响表型，即植物的外观，主要是它们的根。它们参与抑制根的生长，作为对重力性的反应(器官对参考重力矢量的位置变化的反应)。举个例子，把一株植物放在水平的位置——它的树枝会上升，而它的根会向下移动。
尽管合作的主要发起者是生长素领域的世界权威，但来自NCU的波兰科学家在植物周期核苷酸领域拥有丰富的经验，标记它们，分析环化酶和磷酸二酯酶，这些酶会吃掉参与它们新陈代谢的酶。Adrianna Szmidt-Jaworska博士一直在扩展他们在该领域的知识超过15年。
一开始是艰难的，Jaworska说，我们是寻找植物腺苷酸环化酶的先驱。我们开始了我们的研究，并取得了一些小小的成就，开始证明我们是正确的，环核苷酸和环化酶都是植物转导轨迹中不可或缺的元素。适当的生物信息设备和高分辨率的检测技术，如液相色谱结合质谱串联法(LCMSMS)，促进了工作的进行，这允许在皮摩尔水平上进行数量分析。利用来自托鲁尼亚的研究人员和来自佩鲁贾大学的Chris Gehring教授的经验，来自奥地利的科学家在生长素受体中发现了腺苷酸环化酶的区域。“我们接受了带有模板的遗传结构，在此基础上我们将重组酶的细菌进行繁殖，” Jaworski教授的博士生Mateusz Kwiatkowski解释道。“我们清洗它们并运行所有必要的生化标记，设置酶反应的关键参数。同时，在定向诱变过程中，我们改变了蛋白质的结构，这意味着我们在一个序列中或在一个组中排除了三个功能氨基酸，这完全带走了所研究的腺苷酸环化酶的活性。”
Jaworski教授补充说:“到目前为止，在我们对腺苷酸环化酶的研究中，我们只专注于认知方面，而没有提及这组酶的生理作用。新文章它连接了我们迄今为止的成就，并将它们融合到现有的信息传输系统中。更重要的是，它改变了我们对植物激素信号的认知。”
对植物细胞信号的研究始于近30年前，当时生物学家们开始分析信号细胞。钙离子和周期性AMP和GMP是所谓的信息传递器，它们在对刺激的反应中出现片刻。植物细胞中周期核苷酸的存在早在20世纪70年代初就已得到证实。尽管出现了许多关于同一问题的其他报告，但许多人对结果提出了质疑。Jaworska教授说:“我认为这些怀疑是由于植物细胞中周期核苷酸的循环密度非常低，是动物细胞中记录的核苷酸的1000倍。还有必要补充的是，多年来没有任何工具可以精确标记如此低的密度。因此，一些科学家声称，我们所记录的是测量设备的嗡嗡声。目前，我们知道植物细胞中的周期性核苷酸是局部作用的，低密度似乎是合理的。我们不需要更多这样的人。他们会出现，引发反应，然后消失。因此，两组酶参与了cAMP和cGMP水平的有效调节:环化酶负责它们的合成，磷脱氮酶参与它们的失活过程。毫无疑问，发现这些酶的时刻是周期性植物核苷酸研究的一个突破。我们开始这项研究多亏了Gehring教授，因为正是他在2003年用实验证明了植物细胞中存在一种酶，它将GTP的循环转化为循环GMP。成功的道路并不容易，因为尽管已知的氨基酸序列和适当的生物信息学工具，研究人员无法找到特征良好的动物环化酶和潜在的植物环化酶之间的相似性。”
这些相似性是通过比较氨基酸序列来寻找的——Mateusz Kwiatkowski解释道。
Gehring教授另辟蹊径。他声称，如果我们没有观察到序列的相似性，我们应该寻找一些氨基酸，所谓的功能氨基酸，例如负责结合底物的氨基酸，它们是辅助因子。这次中大奖了!通过使用各种工具并观察功能氨基酸的排列方式，Gehring教授注意到它们之间的某种依赖性。在这一发现的基础上，他创造了一个搜索动机，允许搜索和识别蛋白质结构域是环化酶的特征。
2003年，Gehring教授发现并描述了第一个植物鸟苷环化酶。在2013年，他们率先对植物腺苷酸环化酶进行了表征，并在此过程中创造了自己的研究动机。
Jaworski教授说:“一旦我们开始比较植物和动物环化酶的现有动机，我们发现它们有两个显著的区别，首先，它们的域结构不同。其次，植物环化酶不构成单一的蛋白质，这在动物世界中很常见。它们是多结构域功能蛋白的一部分，这意味着至少有两种功能。我们已经知道，在一个蛋白质中可能有更多的不同功能的区域，这种酶的发现本身并没有在科学界引起太多的混乱。如果只有几个中心处理这个问题，很难通过信息，除了我们的团队，世界上还有其他四个中心。幸运的是，我们都在合作，就像我们的一位同事描述的那样，形成了一个循环核苷酸家族。现在，一个新的中心也加入了进来。虽然它的冒险开始于环化酶和周期性核苷酸，但我们正在一起颠覆以往关于生长素和周期性核苷酸问题的知识。我记得刚开始的时候，只有Gehring教授和我们在NCU的团队。一开始我们之间有很多竞争，但后来我们联合起来了。几年的合作进展非常顺利，我们取得了很多成功。一年又一年，情况越来越好。”
科学家们刚刚从一个专门讨论生长素的会议回来，该领域的其他150名专家也参加了会议。他们在那里展示了他们的研究成果，引起了许多人的兴趣。Jaworski教授说，在生长素受体中发现环化酶的区域改变了对激素信号转导的权威观点。现在，有必要考虑一下循环核苷酸，它现在起的作用不是非常优越，而是非常关键。Mateusz Kwiatkowski预测，很快就会开始在植物激素中寻找类似的活性中心。Jaworski教授说，在未来几年里，植物信号的植物激素转导的前景肯定会改变。我相信它会按照Mateusz提到的方式进行。我们也有充分的理由认为生长素受体不是一个孤立的案例。我们可以预期，大多数具有受体特性的蛋白质都可以使用类似的机制，该机制考虑了环化酶和环性核苷酸的参与。不一定是腺苷酸环化酶，它可以是鸟苷磷酸环化酶。它的原理是一样的，只是减法有点不同。
Mateusz Kwaitkowski说(他刚刚通过证明植物中磷二酯酶的存在为他的博士论文辩护，磷二酯酶是参与周期性核苷酸代谢的第二组酶）：“在我们的下一个研究中，我们想专注于寻找效应器，即与cAMP和cGMP相互作用的蛋白质，以及灭活该信号细胞的酶。一旦我们达到了目标，植物细胞中由植物激素和周期性核苷酸参与的信号转导过程将不再那么神秘。”
在此之前，没有人会质疑植物中环化酶和环化核苷酸的存在。
Adenylate cyclase activity of TIR1/AFB auxin receptor in plants
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