Il peptide LURE, che è secreto dalle cellule sinergidi all'interno dell'ovulo funge da chiave per legarsi alla serratura, che è il recettore PRK6 che si trova sulla punta del tubo pollinico. Figura tratta e adattata dalla pagina web di "La nascita di nuove specie vegetali", un progetto sostenuto dalla Sovvenzione per la ricerca scientifica in aree innovative. Credito:ITbM, Università di Nagoya
La fecondazione nelle piante da fiore avviene tramite la consegna di spermatozoi all'ovulo mediante la crescita precisa dei tubi pollinici dal polline. La guida del tubo pollinico svolge un ruolo cruciale nel controllo della crescita dei tubi pollinici e un peptide attrattivo del tubo pollinico LURE viene secreto dalle cellule sinergidi accanto alla cellula uovo all'interno dell'ovulo per portare a una fecondazione di successo. LURE è specifico per ogni specie vegetale ed è quindi responsabile della fecondazione tra le stesse specie.
LURE1 è già stato identificato in una pianta modello Arabidopsis thaliana, e ci sono state segnalazioni sulla presenza di recettori sul tubo pollinico responsabili della rilevazione di LURE1. Il modello chiave e lucchetto illustra la relazione tra il peptide LURE (ligando) e il suo recettore. Fino ad ora, i ricercatori non sapevano a quale recettore LURE si legasse, o come lo fa.
Per identificare l'esatto recettore sul tubo pollinico per LURE, Tetsuya Higashiyama, un professore alla Nagoya University e i suoi collaboratori alla Tsinghua University, che hanno esperienza nella biologia strutturale dei ligandi e dei recettori vegetali, ha eseguito analisi dei complessi mediante cristallografia a raggi X. Il team ha esaminato la proteina che si lega a LURE producendo LURE di Arabidopsis thaliana e il suo recettore proteico mediante colture di cellule di insetto. Di conseguenza, sono stati in grado di determinare che LURE si lega specificamente a un recettore proteico chiamato PRK6 (chinasi 6 simile al recettore del polline) sul tubo pollinico. I risultati di questo studio sono riportati in Comunicazioni sulla natura .
La struttura a destra mostra la distribuzione di carica sulla superficie di LURE (il blu mostra le cariche positive). Figura riprodotta da Zhang, Liu, Nagae et al., 2017, Comunicazioni sulla natura . Credito:ITbM, Università di Nagoya
Il team di ricerca è riuscito a ottenere e analizzare la struttura cristallina di LURE legato al recettore PRK6. A seguito delle loro analisi, hanno scoperto che LURE è legato dall'essere inserito tra la regione di ripetizione ricca di leucina e la regione transmembrana del recettore PRK6.
LURE è legato a una regione vicino alla membrana di PRK6. Questa regione è chiamata regione ad anello e il team ha identificato che l'interazione elettrostatica tra la carica positiva di LURE e la carica negativa sulla regione ad anello di PRK6 era significativa per il legame. Inoltre, sono stati anche in grado di dimostrare che si forma un ponte disolfuro nella regione dell'ansa PRK6 al legame di LURE. Questo ponte tra i residui di cisteina contribuisce alla stabilizzazione della regione dell'ansa che svolge un ruolo significativo per il legame con LURE.
Rapporti precedenti hanno dimostrato che il legame tra peptidi e recettori nelle piante si verifica principalmente nella regione di ripetizione ricca di leucina. In secondo luogo, quando una molecola legante si lega a un recettore sulla regione esterna della cellula, un complesso viene solitamente formato per comunicare segnali all'interno della cellula. D'altra parte, il legame tra LURE e PRK6 si era verificato in una posizione diversa da quanto riportato finora nelle piante, e nessun complesso è stato creato al momento del legame. Questo schema di legame unico tra LURE e PRK6 sembra riflettere il preciso meccanismo di controllo della direzione di crescita del tubo pollinico.
Dopo aver esaminato più da vicino il legame tra LURE e la regione del ciclo di PRK6, sono stati in grado di identificare gli amminoacidi rilevanti necessari per il legame. Il team ha testato il grado di legame e la guida del tubo pollinico cambiando gli amminoacidi, e hanno scoperto che sia l'arginina (R83) situata in LURE che l'acido aspartico (D234) in PRK6 erano importanti.
Il tubo pollinico mutante (in basso), che ha subito la modifica di un amminoacido nel recettore PRK6 ritenuto necessario per il legame con LURE, mostra una ridotta attrazione per LURE rispetto al tubo pollinico di tipo selvatico (in alto). L'asterisco mostra la posizione in cui è stato posizionato LURE (barra della scala =20 μm). Figura riprodotta da Zhang, Liu, Nagae et al., 2017, Comunicazioni sulla natura . Credito:ITbM, Università di Nagoya
"Il nostro laboratorio ha lavorato intensamente per identificare il peptide attrattivo del tubo pollinico LURE e la sua proteina recettore PRK6, e questa volta, siamo stati in grado di determinare la struttura cristallina del complesso legato a LURE per dimostrare che PRK6 è il vero recettore di LURE, " dice Higashiyama. "Attraverso la sua interazione con il recettore PRK6, abbiamo scoperto che LURE è in grado di cambiare la direzione di crescita del tubo pollinico verso l'ovulo, ma non siamo ancora sicuri di come LURE sia in grado di controllare la direzione di crescita con una precisione così elevata, " spiega Higashiyama.
"Abbiamo dimostrato che PRK6 tende a concentrarsi verso LURE, quindi può essere che al legame di LURE nella regione del ciclo di PRK6, PRK6 cambia il suo comportamento sulla punta del tubo pollinico. Effettuando osservazioni in tempo reale delle attività molecolari di LURE e PRK6 sulla superficie dei tubi pollinici, speriamo di capire l'esatto meccanismo di guida del tubo pollinico".
Il peptide LURE e il recettore PRK6 agiscono come chiave e lucchetto, che è specifico per ogni specie vegetale. Higashiyama e il suo gruppo prevedono che questo lavoro aiuterà a rivelare perché la guida del tubo pollinico ha successo tra le stesse specie ed è difficile tra specie diverse.
"Speriamo di essere in grado di progettare sistemi di 'chiave e serratura' specifici in modo che la guida del tubo pollinico diventi efficiente tra le diverse specie di piante, e può portare a un'ibridazione di successo tra specie diverse, " dice Higashiyama. "Piante come il grano tenero, semi di colza, e il cotone sono tutte specie importanti che sono sorte a seguito di incroci. Riteniamo che la nostra ricerca sarà significativa verso la generazione di specie vegetali incrociate appositamente progettate".
