Дефензины растений: биологическая роль, механизмы действия и методы анализа

Одной из актуальных проблем современного сельского хозяйства остается потеря урожая вследствие различных биотических и абиотических факторов. У растений существует многокомпонентная система защиты, включающая создание защитных барьеров, активацию реакции гиперчувствительности и синтез антимикробных пептидов, которые представляют собой низкомолекулярные соединения, проявляющие широкий спектр активности против грибов, бактерий и вирусов. К антимикробным пептидам растений относятся несколько групп соединений, в том числе дефензины - богатые цистеином пептиды, состоящие из 45-54 аминокислот. По-видимому, это один из наиболее распространенных классов антимикробных пептидов, которые участвуют в различных защитных реакциях и обнаруживаются у всех живых существ (B.P. Thomma с соавт., 2002). Гены растительных дефензинов экспрессируются в разных органах растений, где их белковые продукты необходимы при биотическом и абиотическом стрессах, то есть эти пептиды крайне важны с точки зрения селекции сортов, устойчивых к патогенам и абиотическим стрессам. Дефензины характеризуются сильной вариабельностью последовательностей, что, вероятно, коррелирует с разнообразием механизмов действия этих пептидов, способных как проникать внутрь клетки патогена, так и индуцировать гибель клетки, оставаясь на ее поверхности (T.M. Shafee с соавт., 2016). Большинство растительных дефензинов обладают антифунгальной, некоторые - антибактериальной активностью, которая может сочетаться с антимикотическими свойствами. Для небольшого числа дефензинов показано участие в обеспечении устойчивости к тяжелым металлам, холодовому стрессу, засухе, засолению и в процессах онтогенеза. Современные методические подходы позволяют проводить эффективный поиск новых форм активности дефензинов, исследуя дикорастущие немодельные растительные объекты. Интенсивное изучение их транскриптомов стало возможным с развитием секвенирования следующего поколения (Next Generation Sequencing). Для корректного аннотирования последовательностей высоковариабельных пептидов небольшого размера в пределах семейства необходимо применять специальные программы, в частности SPADA (Small Peptide Alignment Discovery Application), алгоритм работы которой заключается в проведении множественного выравнивания последовательностей известных представителей генного семейства и построении предсказательной модели для поиска новых членов этого семейства (P. Zhou с соавт., 2013). При анализе большого числа генов, кодирующих дефензины, предсказание активности вновь выявляемых дефензинов и обнаружение консервативных аминокислот также возможно с использованием методов вычислительной биологии. Подход, основанный на множественном выравнивании последовательностей и кластерном анализе, позволяет разделить дефензины на группы со сходной функциональной активностью (N.L. van der Weerden с соавт., 2013). Таким образом, сочетание современных методов молекулярной и вычислительной биологии существенно повышает эффективность изучения этой группы защитных белков.