Обработка глифосатом приводит к накоплению в клетках растений малых дискретных 5^′и 3^′-концевых фрагментов 18S рРНК

При многих видах стресса эукариотические клетки быстро снижают общий уровень трансляции большинства мРНК. Однако некоторые молекулярные механизмы ингибирования синтеза белка, такие как фосфорилирование эукариотического фактора элонгации трансляции (eEF2), функционируют у животных и дрожжей, но не реализуются у растений. Мы предполагаем, что существует альтернативный механизм ингибирования синтеза белка в клетках растений и, возможно, других эукариот, основанный на дискретной фрагментации молекул 18S рРНК внутри малых субъединиц рибосомы. Мы идентифицировали четыре малые РНК, индуцированные стрессом, которые представляют собой 5’и 3’-концевые фрагменты 18S рРНК. В настоящей работе мы исследовали индукцию дискретной фрагментации 18S рРНК и фосфорилирование α-субъединицы эукариотического фактора инициации 2 (eIF2α) в проросших зародышах пшеницы в присутствии глифосата, имитирующего состояние аминокислотного голодания. Используя нозерн- и вестерн-блоттинг, мы показали, что индуцированные стрессом фрагменты 18S рРНК начинают накапливаться в зародышах пшеницы при концентрациях глифосата, не вызывающих фосфорилирования eIF2α. Также установлено, что расщепление 18S рРНК вблизи 5’-конца начинается гораздо раньше, чем становится заметным фосфорилирование eIF2α при высокой концентрации глифосата (500 мкМ). Этот результат указывает на то, что дискретная фрагментация 18S рРНК может представлять собой регуляторный механизм трансляции мРНК в ответ на стресс и происходить в растительных клетках параллельно с фосфорилированием eIF2α и независимо от него. Выявленные 5’и 3’-концевые малые фрагменты 18S рРНК, накапливающиеся при различных стрессах, могут служить маркерами стрессоустойчивости в процессе селекции хозяйственно важных культур растений.

1. Altschuler M., Mascarenhas J.P. Heat shock proteins and effects of heat shock in plants. Plant Mol. Biol. 1982;1(2):103­115. DOI:10.1007/BF00024974.

2. Baird Th.D., Wek R.C. Eukaryotic initiation factor 2 phosphorylation and translational control in metabolism. Adv. Nutr. 2012;3:307­321. DOI:10.3945/an.112.002113.

3. Ballard D.J., Peng H.­Y., Das J.K., Kumar A., Wang L., Ren Y., Xiong X., Ren X., Yang J.­M., Song J. Insights into the pathologic roles and regulation of eukaryotic elongation factor-2 kinase. Front. Mol. Biosci. 2021;8:839. DOI:10.3389/fmolb.2021.727863.

4. Browning K.S., Bailey-Serres J. Mechanism of cytoplasmic mRNA translation. Arabidopsis Book. 2015;13:e0176.

5. Chen Z., Sun Y., Yang X., Wu Z., Guo K., Niu X., Wang Q., Ruan J., Bu W., Gao S. Two featured series of rRNA-derived RNA fragments (rRFs) constitute a novel class of small RNAs. PLoS One. 2017;12: e0176458. DOI:10.1371/journal.pone.0176458.

6. Echevarria­Zomeno S., Yanguez E., Fernandez­Bautista N., Castro­ Sanz A.B., Ferrando A., Castellano M.M. Regulation of translation initiation under biotic and abiotic stresses. Int. J. Molec. Sci. 2013; 14:4670­4683. DOI:10.3390/ijms14034670.

7. Endo Y. Mechanism of action of ricin and related toxins on the inactivation of eukaryotic ribosomes. Cancer Res. Treat. 1988;37:75­89. DOI:10.1007/978-1-4613-1083-9_5.

8. Gallie D.R., Le H., Caldwell C., Tanguay R., Hoang N.X., Brow ning K.S. The phosphorylation state of translation initiation factors is regulated developmentally and following heat shock in wheat. J. Biol. Chem. 1997;272:1046­1053. DOI:10.1074/jbc.272.2.1046.

9. Gallie D.R., Le H., Caldwell C., Browning K.S. Analysis of translation elongation factors from wheat during development and following heat shock. Biochem. Biophys. Res. Comm. 1998;245:295­300. DOI:10.1006/bbrc.1998.8427.

10. Henras A.K., Plisson-Chastang C., O’Donohue M.F., Chakraborty A., Gleizes P.E. An overview of pre-ribosomal RNA processing in eukaryotes. Wiley Interdiscip. Rev. RNA. 2015;6(2):225­242. DOI:10.1002/wrna.1269.

11. Hernandez G., Altmann M., Lasko P. Origins and evolution of the mechanisms regulating translation initiation in eukaryotes. Trends Biochem. Sci. 2010;35(2):63­73. DOI:10.1016/j.tibs.2009.10.009.

12. Immanuel T.M., Greenwood D.R., MacDiarmid R.M. A critical review of translation initiation factor eIF2α kinases in plants – regulating protein synthesis during stress. Funct. Plant Biol. 2012;39(9):717­ 735. DOI:10.1071/FP12116.

13. Kamauchi S., Nakatani H., Nakano C., Urade R. Gene expression in response to endoplasmic reticulum stress in Arabidopsis thaliana. FEBS J. 2005;272(13):3461­3476. DOI:10.1111/j.1742­4658.2005.04770.x.

14. Kast A., Klassen R., Meinhardt F. rRNA fragmentation induced by a yeast killer toxin. Mol. Microbiol. 2014;91(3):606­617. DOI:10.1111/mmi.12481.

15. Knutsen J.H., Rødland G.E., Bøe C.A., Håland T.W., Sunnerhagen P., Grallert B., Boye E. Stress-induced inhibition of translation independently of eIF2α phosphorylation. J. Cell Sci. 2015;128(23): 4420-4427. DOI:10.1242/jcs.176545.

16. Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 1970;227(5259):680­685. DOI:10.1038/227680a0.

17. Lageix S., Lanet E., Pouch-Pelissier M.N., Espagnol M.C., Robaglia C., Deragon J.M., Pelissier T. Arabidopsis eIF2α kinase GCN2 is essential for growth in stress conditions and is activated by wounding. BMC Plant Biol. 2008;8:134. DOI:10.1186/1471­2229­8­134.

18. Padgette S.R., Kolacz K.H., Delannay X., Re D.B., LaVallee B.J., Tinius C.N., Rhodes W.K., Otero Y.I., Barry G.F., Eichholtz D.A., Pesch­ ke V.M., Nida D.L., Taylor N.B., Kishore G.M. Development, identification and characterization of a Glyphosate­tolerant soybean line. Crop Sci. 1995;35(5):1451­1461. DOI:10.3389/fpls.2016.01009.

19. Ruberti C., Kim S.J., Stefano G., Brandizzi F. Unfolded protein response in plants: one master, many questions. Curr. Opin. Plant Biol. 2015;27:59­66. DOI:10.1016/j.pbi.2015.05.016.

20. Shaikhin S.M., Smailov S.K., Lee A.V., Kozhanov E.V., Iskakov B.K. Interaction of wheat germ translation initiation factor 2 with GDP and GTP. Biochimie. 1992;74(5):447­454. DOI:10.1016/0300­9084(92)90085-s.

21. Smailov S.K., Lee A.V., Iskakov B.K. Study of phosphorylation of translation elongation factor 2 (EF-2) from wheat germ. FEBS Lett. 1993;321(2­3):219­223. DOI:10.1016/0014­5793(93)80112­8.

22. Zhang Y., Wang Y., Kanyuka K., Parry M.A., Powers S.J., Halford N.G. GCN2-dependent phosphorylation of eukaryotic translation initiation factor-2alpha in Arabidopsis. J. Exp. Bot. 2008;59(11):3131­ 3141. DOI:10.1093/jxb/ern169.

23. Zhanybekova S.S., Polimbetova N.S., Nakisbekov N.O., Iskakov B.K. Detection of a new small RNA, induced by heat shock, in wheat seed ribosomes. Biochemistry (Moscow). 1996;61:862­870.

24. Zhigailov A.V., Alexandrova A.M., Nizkorodova A.S., Stanbekova G.E., Kryldakov R.V., Karpova O.V., Polimbetova N.S., Halford N.G., Iskakov B.K. Evidence that Phosphorylation of the α­subunit of eIF2 does not essentially inhibit mRNA translation in wheat germ cell-free system. Front. Plant Sci. 2020;11:936. DOI:10.3389/fpls.2020.00936.

25. Zhigailov A.V., Polimbetova N.S., Borankul R.I., Iskakov B.K. Investigation of discrete fragmentation of 18S rRNA within 40S ribosomal subparticles of plant cells. Vestnik KazNU. Biological Series. 2013;2:81­87. (in Russian)

26. Zhigailov A.V., Polimbetova N.S., Doshchanov Kh.I., Iskakov B.K. Detection in plant cells of a new 75-nucleotide cytoplasmic RNA corresponding to the 5′­terminal fragment of 18S RNA. Vestnik KazNU. Biological and Medical Series. 2014;1:191­194. (in Russian)

27. Yu Ch.­Y., Cho Y., Sharma O., Kanehara K. What’s unique? The unfolded protein response in plants. J. Exp. Botany. 2021:erab513. DOI:10.1093/jxb/erab513.