УДК 581.1
ТЕТРАПИРРОЛЫ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ: БИОСИНТЕЗ, ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ
И ИХ РОЛЬ В ПЕРЕДАЧЕ РЕТРОГРАДНЫХ СИГНАЛОВ
© 2012 г. Н. П. Юрина, О. В. Осипенкова, М. С. Одинцова
Учреждение Российской академии наук Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва
Поступила в редакцию 22.03.2011 г.

В обзоре кратко изложены современные представления о биосинтезе тетрапирролов у растений, ключевые этапы регуляции этого процесса, а также имеющиеся данные об участии этих соединений в индукции и передаче ретроградных сигналов. Рассмотрены вероятные источники ретроградных сигналов. Особое внимание уделено анализу данных о сигнальных молекулах, индуцирующих ретроградную регуляцию. Подчеркивается связь ретроградных сигналов с другими сигнальными системами клетки.

---------------------------------
Сокращения: АЛК – аминолевулиновая кислота; ГлуТР – глутамил-тРНК-редуктаза; ГлуТС – глутамил-тРНК-синтетаза; КПО – копропорфириноген-III-оксидаза; ПротоIX – протопорфирин IX; Мg-ПротоIX – Мg-протопорфирин IX; Мg-ПротоIXМЭ – метиловый эфир Мg-ПротоIX; НФ – норфлуразон; ППО – протопорфириноген IX-оксидаза; Пхлд – протохлорофиллид; ФХБ – фитохромобилин; Хл – хлорофилл; Хлд – хлорофиллид; FeX – Fe-хелатаза; МgХ  Мg-хелатаза.
Адрес для корреспонденции: Юрина Надежда Петровна. 119071 Москва, Ленинский просп., 33. Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН. Факс: 007 (495) 954-27-32; электронная почта: NYurina@inbi.ras.ru
 Ключевые слова: высшие растения – пластиды – тетрапирролы – биосинтез – сигналинг

ВВЕДЕНИЕ

Тетрапирролы – широко распространенные соединения. Они играют существенную роль во многих биологических процессах, включая фотосинтез и дыхание.
Такие тетрапирролы, как хлорофилл и гем, являются кофакторами белков, участвующих в осуществлении большого числа жизненно важных клеточных функций. В качестве простетических групп тетрапирролы входят в состав ряда важных ферментов. Связываясь с апобелками, они приобретают ряд новых химических свойств, включая способность к поглощению света, переносу электронов и связыванию кислорода. Эти свойства используются клетками всех живых организмов. Эти же свойства тетрапирролов могут приводить к сильному фотоокислительному стрессу и при определенных условиях к гибели клеток, так как нерегулируемое возбуждение светом может приводить к образованию свободных радикалов и активных форм кислорода (АФК), в первую очередь, синглетного кислорода [1, 2]. Около 2% белков, кодируемых геномом Arabidopsis thaliana, связывают тетрапирролы, что указывает на важную роль этих соединений в метаболизме растений. В настоящее время ферментативные стадии биосинтеза тетрапирролов хорошо изучены. У высших растений идентифицированы гены практически всех ферментов. Все они кодируются геномом ядра [1]. Значительно меньше изучена регуляция метаболизма тетрапирролов, а также вопросы, связанные с транспортом тетрапирролов в клетках. Предполагают также, что тетрапирролы являются сигнальными молекулами, которые координируют функционирование органелл и ядра в клетке. Пути синтеза тетрапирролов описаны в ряде зарубежных обзоров [15], как и возможное участие этих соединений в передаче сигналов от пластид к клеточному ядру [2, 69].
Настоящий обзор обобщает современные представления о биосинтезе тетрапирролов и его регуляции в клетках высших растений. Особое внимание уделено ключевым ферментам биосинтеза тетрапирролов – глутамил-тРНК-редуктазе и Mg-хелатазе. Приводятся новые данные о внутриклеточной и внутрипластидной локализации ферментов биосинтеза тетрапирролов. Обсуждаются также полученные в последнее время (20082011 гг.) данные об участии тетрапирролов в передаче пластидных сигналов.

БИОСИНТЕЗ ТЕТРАПИРРОЛОВ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ
Высшие растения содержат 4 класса тетрапирролов: хлорофилл (Хл), гем, сирогем и фитохромобилин (ФХБ). Хл является магнийпорфирином, в основе молекулы которого лежит тетрапиррольная структура порфина, включающая 4 пиррольных кольца, соединенных метиновыми мостиками (СН=). Пиррольные кольца расположены в виде макроциклической структуры, в которой четыре центральных атома азота соединены координационными связями с ионом Mg2+, образуя устойчивый комплекс. Из большого числа разнообразных пигментов только Хл а и бактериохлорофилл а способны осуществлять преобразование энергии света. Все остальные пигменты участвуют в процессах поглощения и миграции энергии.
Хл а – универсальный пигмент высших растений и водорослей. У некоторых водорослей он является единственной формой Хл. Хлоропласты высших растений всегда содержат два вида Хл: Хл a и Хл b. Основным пигментом является Хл а, содержащий 4 замещенных пиррольных кольца, одно из которых (кольцо IV) находится в восстановленной форме. Пятое, циклопентанное, кольцо (система “форбина”) не является пирролом. Значение V кольца определяется наличием в нем двух полярных групп – кетогруппы при С9 и кетоэфирной группы при С10. Все хлорофиллы имеют длинную фитольную боковую цепь, соединенную эфирной связью с замещенной карбоксильной группой в кольце IV. Химически молекула Хл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты  хлорофиллина и двух спиртов: метилового и фитола. Дополнительный пигмент высших растений  Хл b, отличается от Хл a наличием альдегидной группы вместо метильной (СН3) во II пиррольном кольце. Спектры поглощения этих пигментов несколько различаются. Хл b образуется в растениях из Хл a. Большинство высших растений содержат вдвое больше Хл а, чем Хл b. Свойства хлорофилла в настоящее время изучены подробно [4]. Главные функции Хл обусловлены спецификой химического строения молекулы, ее физико-химическими свойствами, природой электронно-колебательных спектров. Такая структура молекулы хорошо приспособлена для выполнения Хл а основных функций в фотосинтезе – поглощения, запасания и преобразования энергии [10]. Структура Хл была подтверждена его полным синтезом, осуществленным R.B. Woodward (США) в 1960 г. Существуют различные модификации Хл. Однако модификации затрагивают только боковые группы молекулы, центральная часть молекулы Хл остается неизменной. Некоторые бактерии, способные к усвоению углекислоты на свету, содержат не Хл, а бактериохлорофилл. Бактериальные Хл незначительно отличаются от растительных пигментов. Так, у бактериохлорофиллов c и d боковые цепи представлены не фитолoм, а фарнезолом. Модификации Хл эффективно поглощают видимый свет, что обусловлено большим числом сопряженных двойных связей в их молекулах. Предшественниками хлорофиллов являются протохлорофилл или его бесфитольная форма протохлорофиллид (Пхлд).
Гем – замкнутый макроцикл, который содержит железо (Fe) и играет жизненно важную роль в различных биологических процессах, включая дыхание и фотосинтез [4]. Гем является простетической группой таких ферментов, как каталаза и пероксидаза, и входит в состав цитохромов, гемоглобинов и легоглобина. Цитохромы – железосодержащие белки, обнаруженные в аэробных клетках, участвующие в переносе электронов, которые локализованы во внутренней мембране митохондрий, тилакоидных мембранах хлоропластов и плазматической мембране бактерий. Характерная окраска цитохромов обусловлена простетической группой гема. В зависимости от природы гема все известные цитохромы делят на 3 класса  а, b и с, которые различаются по спектрам поглощения света. Простетические группы цитохромов состоят из 4 пятичленных азот-содержащих колец, образующих циклическую структуру, называемую порфирином. Четыре атома азота соединены координационной связью с центральным атомом Fe, которое может быть двух- или трехвалентным. Гемовые группы цитохромов а- и b-типов и таких белков, как каталаза, пероксидаза и гемоглобин, прочно, но не ковалентно связаны с белками за счет взаимодействий атома железа с остатками гистидина и/или цистеина. Гемовые группы цитохромов с-типа ковалентно связаны с белками (через остатки цистеина, C), образуя характерный СххСН мотив в белке. Цитохромы a-типа содержат железоформилпорфирин, цитохромы b-типа – железопротопорфирин IX, цитохромы с-типа – замещенный железомезопорфирин. Гем а, обнаруженный в цитохромах а-типа, имеет длинный изопреноидный “хвост”, присоединенный к одному из пятичленных колец. Система конъюгированных двойных связей порфиринового кольца ответственна за поглощение гемами видимого света.
Цитохромы а- и b-типов и некоторые цитохромы с-типа являются интегральными мембранными белками. Исключением является цитохром с митохондрий  растворимый белок, связанный электростатическими взаимодействиями с внутренней мембраной митохондрий. Цитохром с широко распространен у аэробных организмов.
Легоглобин аналогичен гемоглобину крови. Он встречается в клубеньках бобовых растений, легко присоединяет молекулярный кислород, образуя оксилегоглобин, который играет важную роль в обмене веществ клубеньков и клубеньковых бактерий.
Сирогем – железосодержащий тетрапиррол. У растений он является кофактором нитрит- и сульфитредуктаз, участвующих в восстановлении нитрита или сульфита  ключевых интермедиатов при ассимиляции азота и серы [11]. Сирогем синтезируется в пластидах из тетрапиррольного предшественника – уропорфириногена III путем трех ферментативных реакций: метилирования, окисления и феррохелатирования. Эти реакции катализируются уропорфириногенметилтрансферазой (УМТ), дигидросирогидрохлорин-(прекоррин-2)-оксидазой (ПК2О) и сирогидрохлорин Fe-хелатазой (СГХ-FeХ). Недостаток сирогема оказывает большое влияние на обмен S и N, а также на рост и развитие растений, реакцию организмов на биотические и абиотические стрессы и другие процессы. Нарушение биосинтеза сирогема может вызывать накопление светочувствительных интермедиатов биосинтеза Хл и АФК, избыточное количество которых оказывает вредное влияние на метаболизм растительного организма [11]. Фитохромобилин (ФХБ) является линейным тетрапирролом и хромофором фитохрома, улавливающего красный и дальний красный свет.
К основным тетрапирролам, синтезирующимся в растениях, относится Хл, содержание которого в листовой ткани может составлять 2.5 мкмоль/г сырого веса. Уровень других тетрапирролов, таких как сирогем, гем и ФХБ, значительно ниже, и для гема в митохондриях составляет 2.0 нмоль/г сырого веса. В корневых клубеньках бобовых содержание гема, входящего в состав легоглобина, в сотни раз выше [12].
Основным местом биосинтеза тетрапирролов у растений служат пластиды. Это неудивительно, так как конечные продукты ветвей биосинтеза тетрапирролов, ведущих к образованию Хл и сирогема, функционируют только в пластидах. Все стадии синтеза ФХБ также протекают в пластидах, хотя связывание хромофора с апобелком происходит в цитозоле. При активации светом фитохромы находятся в клеточном ядре [2]. Точная локализация всех стадий биосинтеза гема неизвестна. Предполагают, что три последних стадии, в которых участвуют копропорфириноген-III-оксидаза (КПО), протопорфириноген-IX-оксидаза (ППО) и Fe-хелатаза (FeХ), протекают в пластидах и митохондриях [2, 5] (таблица). Тетрапиррольные кофакторы распространены шире, чем тетрапирролы, и, к примеру, гемопротеины обнаружены в клетках повсюду [2].
Ферменты, катализирующие образование ранних интермедиатов биосинтеза Хл – гидрофильных соединений, локализованы в строме пластид. Это глутамил-тРНК-синтаза (ГлуТС), глутамил-тРНК-редуктаза (ГлуТР), глутамат-1-семиальдегидаминотрансфераза (ГСАТ), аминолевулинатдегидратаза (АЛДГ), порфобилиногендезаминаза (ПБД), уропорфириноген-III-синтаза (УроС), уропорфириноген-III-декарбоксилаза (УроДК) и КПО. Ферменты, катализирующие образование поздних интермедиатов биосинтеза Хл – гидрофобных соединений, связаны с мембранами. Большинство ферментов, катализирующих образование Хл, локализовано в тилакоидных мембранах и внутренней мембране оболочки пластид [16, 17]. Это относится к ППО, Fe-хелатазе (FeX), Mg-протопорфирин-IX-хелатазе (МgХ), Mg-протопорфирин-IX-метилтрансферазе (МgМТ), циклазе метилового эфира Mg-протопорфирина (МgМЦ), протохлорофиллидоксидоредуктазе (ПхлдОР) и Хл a-оксигеназе (ХлаО) [5]. Показано, что локализация Мg-хелатазы зависит от концентрации ионов Мg2+ в пластидах: при высоких концентрациях Mg-хелатаза связана с мембранами оболочки хлоропластов, однако, когда концентрация ионов Мg2+ снижается, фермент отделяется от мембран. Cубъединица Мg-хелатазы – ChlI, всегда обнаруживается в строме. Субъединица ChlD преимущественно локализована тоже в строме, но, по-видимому, еще и в тилакоидных мембранах. Cубъединица ChlH локализована в строме и мембранах оболочки хлоропластов. Чем объясняются особенности локализации Мg-хелатазы, неизвестно [2]. Ряд ферментов, катализирующих биосинтез Хл, входят в состав комплексов, что предотвращает образование избыточного количества фототоксичных интермедиатов биосинтеза тетрапирролов [5]. Так, ГлуТР образует комплекс с глутамат-1-семиальдегидаминотрансферазой, устраняя таким образом накопление высокотоксичного альдегидного соединения – глутамат-1-семиальдегида [18]. Мg-хелатаза (MgХ) образует комплекс с Мg-протопорфирин-IX-метилтрансферазой (MgMT). Взаимодействие ChlH субъединицы Мg-хелатазы и MgMT не только направляет транспорт субстрата по пути синтеза хлорофилла, но и повышает активность МgМТ [5]. Доказано образование комплексов порфобилиногендезаминазы и уропорфириноген-III-синтазы, а также КПО, ППО и FeХ [4].
Биосинтез тетрапирролов – многоступенчатый процесс, который у высших растений включает общие для всех тетрапирролов стадии (от глутамата до уропорфириногена III) (рисунок). Следующие три стадии (от уропорфириногена III до протопорфирина IX) являются общими для синтеза Хл, гема и ФХБ. Остальные стадии уникальны для каждого из четырех классов тетрапирролов. Их подразделяют на ветвь, ведущую к образованию сирогема, ветвь, ведущую к образованию гема, которая включает биосинтез ФХБ, и ветвь, ведущую к образованию Хл, куда относят стадии взаимопревращения Хл а и Хл b. Предшественником всех тетрапирролов является 5-аминолевулиновая кислота (АЛК), которая может образовываться двумя путями. Альфа-протеобактерии, дрожжи и животные образуют АЛК из сукцинил-КоА и глицина при участии АЛК-синтазы. У других бактерий, растений и водорослей АЛК синтезируется из глутамил-тРНКглу под действием ГлуТР и ГСАТ. Глутамил-тРНКглу, таким образом, участвует одновременно в биосинтезе тетрапирролов и синтезе белка в пластидах [19].
У покрытосеменных растений биосинтез АЛК сильно подавляется в темноте и активируется на свету, приводя к образованию необходимых количеств Хл и гема. Восемь молекул АЛК путем трех последовательных ферментативных реакций образуют уропорфириноген III, который превращается в сирогем в результате метилирования и окисления с последующим встраиванием Fe2+ под действием сирогидрохлоринферрохелатазы [11]. Уропорфириноген III может подвергаться окислительному декарбоксилированию с образованием протопорфириногена IX. Следующей стадией, катализируемой ППО, является окисление бесцветного протопорфириногена IX в полностью конъюгированный (и потому окрашенный) ПротоIX [2]. Последующие две ветви биосинтеза тетрапирролов включают встраивание Mg2+ или Fe2+, катализируемое MgХ или FeХ соответственно, что приводит к образованию Хл или гема. Mg-протопорфирин IX (Мg-ПротоIX) модифицируется с образованием протохлорофиллида (Пхлд), который у высших растений накапливается в темноте, так как НАДФ·H-Пхлд-оксидоредуктаза восстанавливает Пхлд в хлорофиллид a на свету. Последний под действием хлорофиллсинтазы эстерифицируется фитолом (геранилгераниол), образуя Хл а, часть которого обратимо превращается в Хл b [2, 11]. В ветви, ведущей к гему, Fe-хелатаза катализирует встраивание Fe2+ в протопорфирин IX, что приводит к образованию протогема (гем b), который является простетической группой цитохромов b-типа и таких белков, как каталаза, пероксидаза и гемоглобин. Гем a синтезируется из протогема предположительно в митохондриях, хотя это не показано для растений [2].
Белки, с которыми связаны тетрапирролы, локализованы во всех частях клетки. В хлоропластах хлорофилл-связывающие белки преобладают в тилакоидных мембранах. Белки светособирающего комплекса (ССК) антенн связывают Хл a и b, в то время как полипептиды реакционного центра фотосистем содержат только Хл a. Реакционный центр ФС II содержит также феофитин a (модифицированная форма Хл, не имеющая центрального иона Mg2+). Субъединица IV цитохромного комплекса b6/f связывает Хл a. Этот комплекс содержит гем в качестве простетической группы двух цитохромов: цитохрома f  цитохрома с-типа, в котором гем связан ковалентно, и цитохрома b6 (цитохром b-типа с нековалентно связанным гемом) [11].
Большинство ферментов, катализирующих синтез тетрапирролов у растений (за исключением 7-гидроксиметилхлорофилл-а-редуктазы и дигидросирогидрохлориноксидазы), идентифицированы [3, 4]. Основные ферменты, участвующие в биосинтезе тетрапирролов у высших растений, и гены, кодирующие эти ферменты, приведены в таблице.
Регуляция биосинтеза тетрапирролов является необходимым условием нормального роста и развития растений. Потребности в тетрапирролах различных клеток и тканей различны, причем они изменяются в процессе онтогенеза. Этот факт, а также опасность фотоокисления, возникающая при избыточном синтезе тетрапирролов, привели к развитию сложной системы регуляции биосинтеза этих соединений. Стадией, контролирующей скорость синтеза тетрапирролов, является, в первую очередь, синтез АЛК, а именно активность ГлуТР. Второй ключевой стадией регуляции биосинтеза тетрапирролов является образование ПротоIX, который используется как на синтез Хл, так и на синтез гема. Регуляция на этих стадиях включает, прежде всего, строгий контроль биосинтеза тетрапирролов на уровне транскрипции, а также функционирование ряда пост-трансляционных механизмов [3, 4, 20].
ГлуТР кодируется у высших растений генами HEMA и катализирует в пластидах начальную стадию биосинтеза тетрапирролов, ведущую в итоге к образованию Хл и гема. Есть данные, что у покрытосеменных ГлуТР ограничивает не только начальную, но и последующие стадии биосинтеза Хл [21]. Экспрессия и активность ГлуТР подвергаются сложной регуляции. Они контролируются светом, циркадными ритмами, цитокинином, негативным контролем по механизму обратной связи, а также в процессе развития растений [22]. Транскрипты HEMA1 накапливаются преимущественно в фотосинтезирующих тканях. Экспрессия этого гена индуцируется светом и коррелирует с экспрессией гена Lhcb1, кодирующего белки ССК ФС II, а также с экспрессией генов ChlH (кодируют Н-субъединицу MgX), CRD1/CHL27/ (кодируют субъединицу циклазы монометилового эфира Mg-протопорфирина, МgМЦ) и CAO (кодируют хлорофиллид а-оксигеназу, ХлдаО) [2, 5]. Гены HEMA1, ChlH, CRD1 (CHL27) и CAO образуют тонко регулируемую группу генов, реагирующих на световые и циркадные сигналы [2]. Ген HEMA2 транскрибируется в корнях. Его транскрипция не зависит от света.
Основным пост-трансляционным механизмом регуляции является ингибирование ГлуТР гемом по механизму обратной связи, в результате чего биосинтез тетрапирролов у высших растений зависит от количества гема [21]. Подавление активности ГлуТР гемом зависит также от присутствия еще неизвестных белков, что, видимо, указывает на значение белокбелковых взаимодействий для опосредованного гемом ингибирования [5]. Предполагают, что интермедиаты ветви биосинтеза тетрапирролов, ведущей к Хл, такие как протохлорофиллид (Пхлд), хлорофиллид (Хлд) или сам Хл, также выполняют регуляторную роль [2]. В присутствии Хлд или других интермедиатов биосинтеза тетрапирролов, образующихся в конце ветви биосинтеза Хл, мембранный белок пластид FLU снижает активность ГлуТР в темноте [23]. FLU связывается с ГлуТР, предотвращает избыточное накопление Пхлд и способствует сбалансированному поступлению АЛК для синтеза Хл и гема во время светового периода [24]. Впервые FLU был идентифицирован при анализе flu мутантов Arabidopsis, у которых синтез и накопление АЛК были выше, чем у растений дикого типа. Этот белок взаимодействует с белком HEMA1 независимо от ингибирования гемом. На свету синтез АЛК стимулируется путем освобождения белка FLU и гема и одновременным увеличением транскрипции гена HEMA [4]. Другим регулятором является белок GUN4, который связывает интермедиаты биосинтеза Хл – ПротоIX и Mg-протопорфиринIX (Мg-ПротоIX), стимулирует активность MgX и участвует в ретроградном пластидном сигналинге [2528]. Предполагают, что GUN4 регулирует распределение порфиринов между ветвями, ведущими к Хл и гему [2]. Экспрессия GUN4 наиболее интенсивна в молодых и зеленеющих тканях. Во время фотопериодического роста она соответствует активности синтеза АЛК и Mg-ПротоIX. Сверхэкспрессия GUN4 ведет к общей активации ферментов биосинтеза Хл. Дефицит GUN4 в этот же период подавляет синтез АЛК и накопление Хл. Внесение АЛК не компенсирует дефицит GUN4 при росте в режиме свет/темнота, но приводит к накоплению Хл в условиях слабой освещенности [29]. Идентифицированы еще два гена, кодирующих регуляторные белки: CLA1 (кодирует 1-дезокси-D-ксилулозо-5-фосфатсинтазу) и CHLP (кодирует геранилгеранил-пирофосфатредуктазу). Оба фермента нужны для синтеза фитольного “хвоста” Хл. Биосинтез Хл регулируется также редокс-состоянием хлоропластов [30]. Показано, что АТФазная активность ChlI, одной из трех субъединиц MgX, обратимо подавляется при окислении. Предполагают, что в редокс-регуляции ферментов биосинтеза Хл может участвовать недавно идентифицированная НАДФ·Н-тиоредоксинредуктаза [30]. Обнаружены также несколько белков, участвующих в биосинтезе тетрапирролов, которые являются мишенями регуляции тиоредоксином [31]. При фосфопротеомном анализе хлоропластов были обнаружены белки (включая ChlI и GUN4), являвшиеся мишенями локализованных в пластидах протеинкиназ [32]. По-видимому, важную роль в регуляции играет также образование комплексов между ферментами, функционирующими в соседних реакциях, а также локализация ферментов в пластидах. На сборку или локализацию ферментных комплексов и активность ферментов, участвующих в биосинтезе тетрапирролов, может влиять фосфорилирование. Одним из изученных примеров пост-трансляционной регуляции является дестабилизация Хлда-оксигеназы (ХлдаО) в ответ на сверхнакопление хлорофилла b [33]. ХлдаО катализирует образование Хл b из Хл а, и ее активность регулируется по механизму обратной связи. У Arabidopsis идентифицирован участок N-концевого домена ХлдаО, состоящий из 10 определенных аминокислот, хлоропластный дегрон, необходимый для регуляции: (97)QDLLTIMILH(106), который служит, по-видимому, сигналом для дестабилизации Хл b и узнается протеазами, функционирующими в хлоропластах [3436]. Нарушенная регуляция синтеза Хл b снижает скорость переноса энергии между пигментами фотосинтеза и индуцирует у Аrabidopsis фотоповреждения [37, 38]. Вероятно, за пост-трансляционный контроль биосинтеза тетрапирролов, наблюдаемый у трансгенных растений, растущих в условиях фотоокисления, ответственны не только упомянутые, но и другие механизмы [2].
Активность ключевого фермента Mg-порфириновой ветви  MgХ, который катализирует превращение ПротоIX в Mg-ПротоIX, влияет на общую активность биосинтеза Хл [2]. MgХ состоит из трех субъединиц: H-субъединицы (ChlH), на которой локализован каталитический сайт, D-субъединицы (ChlD) и I-субъединицы (ChlI), которые этот сайт активируют [1, 39]. Субъединица ChlH связывает ПротоIX, cубъединицы ChlI и ChlD стимулируют связывание АТФ-зависимого комплекса с комплексом ChlH-ПротоIX, который затем с участием ионов Mg2+ диссоциирует на ChlH-Mg-ПротоIX и ChlI-ChlD-Mg-АДФ. При высококонсервативной мутации gun5 растения Arabidopsis накапливают несколько меньше Хл, чем растения дикого типа, что указывает на важную роль MgХ в биосинтезе Хл [40]. Основная форма регуляции активности MgХ – это регуляция H-субъединицы MgХ на уровне транскрипции и ее пост-транскрипционная модификация, которые влияют на общую активность биосинтеза Хл. Уровень транскриптов ChlH значительно колеблется в течение суток и активируется/ингибируется на свету/в темноте соответственно [5]. На активность MgХ влияют также уровень ионов Mg2+ и отношение АТФ/АДФ. Ионы Mg2+ вызывают конформационные изменения в MgХ, которые переводят фермент в более активную форму, что облегчает связывание MgХ с другими субстратами, АТФ и порфирином. Для образования активного комплекса MgХ, так же как и для связывания фермента с субстратом – ПротоIX, необходима транслокация ChlH из стромы в мембраны оболочки хлоропластов [5].
Активность MgХ регулируется GUN4  порфирин-связывающим белком [25]. Мутация в гене этого белка (gun4) приводит к нарушению передачи пластидного сигнала. Как было сказано выше, GUN4 связывает как ПротоIX, так и Mg-ПротоIX, стимулируя активность MgХ. Повреждение GUN4 приводит к снижению клеточного уровня гема, что указывает на участие GUN4 и в биосинтезе гема. Таким образом может контролироваться поток субстратов, поступающих в ветвь, ведущую к синтезу гема или Хл. В присутствии GUN4 концентрация ионов Mg2+, необходимая для полной активации MgХ, снижается (от 6 до 2 мМ), т.е. GUN4 регулирует активность МgХ при физиологических концентрациях ионов Мg2+ [29].
Aктивность MgХ регулируется также редокс-состоянием хлоропластов [5]. В хлоропластах регуляция активности ряда ферментов фотосинтеза связана с транспортом электронов через тиоредоксиновую систему, в которой светоиндуцируемые изменения ферментативной активности обусловлены редокс-состоянием дисульфидных связей [41]. ChlI субъединица MgХ была идентифицирована как белок-мишень тиоредоксина [5].
Процесс встраивания ионов Mg2+ и Fe2+ на определенных стадиях биосинтеза тетрапирролов до конца не изучен. Хотя ионы Mg2+ и Fe2+ катализируют сходные реакции, свойства MgX и FeХ различны. FeХ представляет собой мономер или гомодимер и для проявления активности не нуждается в кофакторах, в то время как MgХ состоит их трех субъединиц и для ее активности требуется АТФ [1]. Кинетические свойства двух ферментов также сильно различаются. Активность MgХ увеличивается при высоком уровне АТФ на свету. В этих условиях активность FeX понижается. В результате рост растений в режиме свет/темнота влияет на поступление ПротоIX в ветви, ведущие к синтезу Хл или гема. На свету преобладает образование интермедиатов Mg-порфириновой ветви. В темноте активность MgX снижена, но при этом увеличивается активность FeХ и начинается синтез интермедиатов ветви, ведущей к образованию гема. Регуляция активности MgX и FeX осуществляется не только за счет их физических свойств, но и на уровне транскрипции генов. Экспрессия генов ChlH достигает пика в начале световой фазы, в то время как экспрессия генов FeХ достигает пика к концу световой фазы [1, 4, 5].

УЧАСТИЕ ТЕТРАПИРРОЛОВ В ПЕРЕДАЧЕ РЕТРОГРАДНЫХ СИГНАЛОВ
Генетические компартменты клеток растений – ядра, пластиды и митохондрии, обмениваются информацией с помощью антероградных (от ядра к органеллам) и ретроградных (от органелл к ядру) сигналов. У Arabidopsis высоко полиплоидные геномы органелл – пластид и митохондрий, содержат 128 и 57 генов соответственно [42]. Поскольку эти органеллы содержат несколько тысяч различных белков, бóльшая часть их протеома кодируется ядерным геномом. мРНК транслируется в цитозоле, и синтезированные белки поступают из цитозоля в органеллы. Наличие генов, кодирующих белки органелл, в разных клеточных компартментах вызывает необходимость строгой координации процессов, происходящих при экспрессии разных геномов эукариотической клетки. Такая координация достигается с помощью двунаправленной передачи сигналов: от ядра к органеллам и от органелл к ядру. Хотя ядерный геном Arabidopsis thaliana кодирует более 90% всех белков, локализованных в хлоропластах, эти органеллы благодаря ретроградной регуляции (ретроградному сигналингу), а также в зависимости от своего функционального состояния и стадии развития, регулируют экспрессию многих ядерных генов, кодирующих белки, локализованные в пластидах [43, 44].
Ретроградная регуляция у высших растений была обнаружена у мутантов Arabidopsis с нарушенным биогенезом хлоропластов [45] или ингибированным синтезом каротиноидов [46]. Исследование gun (genome uncoupled)-мутантов Arabidopsis с нарушенным биосинтезом тетрапирролов, экспрессирующих ядерные гены пластидных белков, связанных с фотосинтезом, в присутствии норфлуразона (НФ), когда развитие пластид подавлено, привело к обнаружению компонентов, участвующих в ретроградном сигналинге [25, 40, 47]. Гербицид НФ, вызывающий обесцвечивание хлоропластов, подавляет экспрессию светоиндуцируемых, связанных с фотосинтезом ядерных генов пластидных белков. Были идентифицированы пять gun-локусов, экспрессирующих репортерный ген uidA под контролем промотора Lhcb1,2 в присутствии НФ. Метаболизм тетрапирролов был нарушен у четырех из gun-мутантов (gun2-gun5). Мутация gun1 не связана с метаболизмом тетрапирролов.
Как было сказано выше, биосинтез тетрапирролов приводит к синтезу ряда важных соединений [2, 44, 48, 49]. Тот факт, что у ряда gun-мутантов нарушен биосинтез тетрапирролов и одновременно подавлена экспрессия ядерных генов многих белков, привел к предположению о том, что один или несколько интермедиатов биосинтеза тетрапирролов могут функционировать в качестве сигнальных молекул, индуцирующих ретроградную регуляцию. Нарушения биосинтеза тетрапирролов, приводившие к gun-фенотипу, сопровождались накоплением 5-АЛК, Мg-ПротоIX и монометилового эфира Мg-ПротоIX (Мg-ПротоIXМЭ) [50, 51]. На участие Мg-ПротоIX в ретроградной регуляции указывали также результаты опытов, в которых исследовали экспрессию генов HSP70 и HEMA у Chlamydomonas reinhardtii и высших растений в присутствии Mg-порфиринов [52]. Позднее было показано, что у Chlamydomonas ретроградную регуляцию может индуцировать также гем, который у этой водоросли синтезируется только в хлоропластах [42, 53]. Вопрос о месте синтеза гема у высших растений остается дискуссионным [4].
Основываясь на данных, приведенных выше, было высказано предположение о том, что у высших растений сигнал, направленный от пластид к ядру, индуцируется Мg-ПротоIX и/или Мg-ПротоIXМЭ [7, 51, 52, 5457].
Последующие исследования показали, что корреляция между накоплением Мg-ПротоIX и подавлением экспрессии Lhcb наблюдается не всегда [2, 48, 49]. Гербицид 2,2’-дипиридил, который, как предполагают, индуцирует значительное накопление Мg-ПротоIXМЭ, подавлял gun2- и gun5-фенотипы [49]. В проростках, обработанных НФ, экспрессия Lhcb снижалась, но порфирины не накапливались [58].
Противоречивые данные о том, что появление молекул Мg-ПротоIX служит сигналом для подавления экспрессии ядерных генов пластидных белков, могли быть обусловлены методическими трудностями, связанными с количественным определением интермедиатов биосинтеза тетрапирролов. Для преодоления этих трудностей был разработан новый высокочувствительный метод жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии (LC/MS), позволяющий идентифицировать и определять индивидуальные тетрапирролы [48]. При традиционном методе определения тетрапирролов используют ВЭЖХ с последующей флуорометрией [48, 59]. Детальная проверка возможного функционирования Мg-ПротоIX (и других интермедиатов биосинтеза Хл) в качестве сигнальных молекул при ретроградной регуляции показала, что строгой корреляции между накоплением Мg-ПротоIX и экспрессией ядерных генов пластидных белков нет. С помощью LC/MS было показано, что в растениях, обработанных НФ, в условиях, когда подавлена экспрессия ядерных генов, не наблюдается накопления Мg-ПротоIX или какого-то другого интермедиата биосинтеза Хл при различных условиях роста растений [48]. Напротив, когда эндогенный уровень Мg-ПротоIX был искусственно повышен добавлением предшественника тетрапирролов  5-АЛК, наблюдалась индукция, а не ингибирование экспрессии ядерных генов белков фотосинтеза. Никакой корреляции не обнаружено между интермедиатами биосинтеза тетрапирролов (включая Мg-ПротоIX) и экспрессией Lhcb при изменении уровня тетрапирролов химическими или генетическими методами, а также при действии света [2]. Не было обнаружено стойкого влияния gun-мутаций на накопление гема [60]. Наши опыты по определению содержания тетрапирролов у растений Arabidopsis в условиях светового стресса с использованием традиционного метода показали, что нет значительных изменений в содержании Mg-ПротоIX у НФ-обработанных растений по сравнению с контрольными. Наблюдалось даже некоторое уменьшение содержания Mg-ПротоIX (данные не опубликованы). Таким образом, по-прежнему неясно, является ли Мg-ПротоIX сигналом при ретроградной регуляции у высших растений.
На основании противоречивости полученных экспериментальных данных, было высказано предположение, что ретроградный сигнал могут вызывать не сами молекулы Мg-ПротоIX, а их производные, продукты деградации или генерируемые ими АФК, такие как синглетный кислород или пероксид водорода [2, 48]. Показано, что образование АФК в пластидах возрастает при интенсивном освещении растений [61]. У мутанта Arabidopsis, характеризующегося сверхнакоплением предшественника Хл в темноте, на свету наблюдали быстрое накопление в хлоропластах синглетного кислорода, ведущее к остановке роста и гибели клеток [62]. Есть данные, что экспрессия ядерных генов пластидных белков Lhcb и RbcS регулируется пероксидом водорода и синглетным кислородом [50]. На этом основании было высказано предположение о том, что простой сигнальный механизм, непосредственно связывающий накопление Мg-ПротоIX с ингибированием экспрессии ядерных генов пластидных белков, мало вероятен [48, 49].
Недавно при исследовании развитых проростков Arabidopsis методами ВЭЖХ с флуоресцентной детекцией и конфокальной микроскопии было показано, что кратковременная обработка проростков (< 96 ч) НФ приводила к значительному накоплению Мg-ПротоIX, сопровождающемуся одновременным ингибированием экспрессии Lhcb. Длительная обработка проростков НФ вызывала изменения пулов тетрапирролов, в то время как экспрессия Lhcb была постоянно подавлена. Возможно, что противоречивые результаты опубликованных работ объясняются разными условиями обработки проростков НФ [63]. Не исключено также, что сигналы, генерируемые Мg-ПротоIX, функционируют кратковременно и в определенных местах клетки и потому не обнаруживаются [2].
Важную роль в ретроградной регуляции играют, по-видимому, комплексы интермедиатов биосинтеза тетрапирролов с белками, в частности, с Н-субъединицей Мg-хелатазы (ChlH) и/или GUN4, которые способны связывать и ПротоIX, и Мg-ПротоIX, а также с ферментативными комплексами, такими как Мg-хелатазный комплекс, локализация которого меняется в зависимости от концентрации Мg2+ в пластидах [2, 49].
Использование нового протеомного подхода – аффинной колонки, содержащей Мg-ПротоIX, ковалентно сшитый с Affi-Gel матриксом, с последующим анализом белков, связавшихся с Мg-ПротоIX, при помощи ДДС-ПААГ электрофореза и LC/MS, показало, что Мg-ПротоIX взаимодействует со множеством белков, связанных с ответными реакциями клеток на окислительный стресс [64]. При этом было обнаружено, что Мg-ПротоIX образует эволюционно консервативный комплекс с белком теплового шока типа HSP90 – НSP81-2. Связывание Мg-ПротоIX с белками не зависит от аминокислотной последовательности белка (специфического аминокислотного мотива), а зависит, вероятно, от его пространственной структуры. Анализ gun1- и gun5-мутантов Arabidopsis, росших в присутствии НФ, подтвердил, что ретроградные сигналы регулируют экспрессию ядерных генов, кодирующих белки с различными функциями [65]. Исследование транскриптома зеленой одноклеточной водоросли C. reinhardtii при добавлении к культурам Мg-ПротоIX или гема показало, что эти интермедиаты биосинтеза тетрапирролов временно, но значительно изменяют экспрессию почти 1000 генов. Среди них немногие гены, кодирующие белки фотосинтеза, ряд генов, кодирующих ферменты цикла трикарбоновых кислот, гены гем-связывающих белков, ряда белков, связанных с ответными реакциями клетки на стрессовые воздействия, а также гены, участвующие в фолдинге и деградации белков. Оба тетрапиррола выполняют сигнальную роль в качестве вторичных мессенджеров в адаптивных реакциях, влияющих на всю клетку, а не только на белки клеточных органелл [66].
Интермедиаты биосинтеза тетрапирролов являются наиболее изученными источниками пластидных сигналов [9, 43]. Считается, что кроме интермедиатов биосинтеза тетрапирролов источниками ретроградных пластидных сигналов являются АФК и связанные с АФК процессы, окислительно-восстановительные процессы при фотосинтезе (редокс-состояние ЭТЦ), а также экспрессия пластидных генов (включая транскрипцию и трансляцию) [9, 42, 67]. Еще один важный процесс, который может генерировать ретроградный пластидный сигнал, – поступление (импорт) белков в пластиды [62]. Показано, что экспрессия ядерных генов белков пластид нарушена у мутанта, у которого отсутствует основной рецепторный белок импортируемых белков – Toc159. Этот дефект в поступлении белков в пластиды служит пластидным сигналом [68]. Tаким путем функционирующие в клетках ретроградные сигналы регулируют экспрессию ядерных генов белков пластид в соответствии с потребностями этих органелл и обеспечивают эффективную сборку мультибелковых комплексов, состоящих из субъединиц, кодируемых геномами ядра и хлоропластов. Следует, однако, отметить, что сигнальные молекулы ретроградной регуляции до сих пор не идентифицированы [42].
Предполагается, что важную роль в передаче ретроградных сигналов играет белок GUN1. Показано, что мутация gun1 не связана с биосинтезом тетрапирролов. Это следует из различий в генах gun1 и gun2-gun5 [44]. Обработка пластид линкомицином, ингибитором биосинтеза белка, ведет к прекращению экспрессии связанных с фотосинтезом ядерных генов в проростках Arabidopsis дикого типа и gun2-gun5-мутантов, но не gun1-мутантов [69]. Gun1 кодирует локализованный в нуклеоидах пластид белок, содержащий 10 копий пентатрикопептидного повтора (PPR) и так называемый SMR-домен (малый домен, связанный с MutS) вблизи С-конца [44, 69]. SMR-домен этого белка связывает ДНК, а PPR-мотив участвует в процессинге РНК и обнаружен во многих митохондриальных и пластидных белках. Поскольку линкомицин не ингибирует экспрессию ядерных генов фотосинтеза у gun1-мутантов, предполагают, что GUN1 может участвовать в передаче к ядру сигналов, индуцированных нарушенной у этих мутантов экспрессией пластидных генов [67]. GUN1-зависимая передача сигналов может также участвовать в координации экспрессии связанных с фотосинтезом ядерных генов с эффективностью поступления белков в пластиды [68]. Показано, что сигналы, индуцированные интермедиатами биосинтеза тетрапирролов и редокс-состоянием ЭТЦ, тоже опосредованы GUN1. Так как, у gun1-мутантов нарушена ответная реакция на освещение светом высокой интенсивности, считают, что GUN1 вызывает интеграцию сигналов, возникающих при действии НФ, линкомицина и интенсивного освещения [69]. Сравнительные исследования накопления антоцианинов и транскриптов Lhcb1 у gun1-1-мутантов и проростков Arabidopsis дикого типа привели к заключению, что отсутствие функционально активного GUN1 приводит к нарушениям ранних стадий развития проростков и изменяет чувствительность растений к сахарозе и АБК (см. ниже). Однако механизм действия GUN1 в настоящее время неизвестен [44].
После GUN1 в ретроградном сигнальном пути, по всей видимости, действуют два ядерных транскрипционных фактора: Apetala 2-подобный фактор транскрипции ABI4 и GLK1. Мутант Arabidopsis abi4 имеет слабый gun-фенотип. Ген abi4 интенсивно экспрессируется в семенах и с трудом обнаруживается в проростках. Экспрессия abi4 индуцируется глюкозой и, вероятно, другими сахарами. ABI4 – негативный регулятор экспрессии Lhcb. В ответ на пластидные сигналы ABI4 конкурентно связывается с G-рамкой cis-элемента и подавляет индукцию экспрессии Lhcb [62]. Транскрипционные факторы типа Apetala 2 функционируют как репрессоры транскрипции в присутствии АБК, этилена и жасмоновой кислоты [69]. GUN1 неизвестным пока образом активирует ABI4. Установлено, что этот механизм используется ретроградными сигналами, индуцированными интермедиатами биосинтеза тетрапирролов, экспрессией пластидных генов и редокс-состоянием ЭТЦ, но не используется сигналами, вызванными нарушениями в поступлении белков в пластиды [62]. В этом случае функционирует транскрипционный фактор GLK1. В отличие от ABI4, GLK1 – это позитивный регулятор экспрессии Lhcb, координирующий экспрессию связанных с фотосинтезом ядерных генов [68]. В условиях стресса, таких как действие НФ или дефекты в импорте белков, экспрессия GLK1 сильно снижается, что ведет к последующему ингибированию генов фотосинтеза. Для репрессии GLK1 необходим GUN1.
Показано, что многие ядерные гены белков фотосинтеза, контролируемые пластидными сигналами, содержат в своих промоторах последовательность ACGT, которая является также основным (коровым) элементом последовательностей, участвующих в ответных реакциях клеток на АБК, что указывает на участие компонентов АБК-сигнального пути (или уровней АБК) в ретроградной регуляции [65, 69]. Изучение AБК-дефицитных (aba) и AБК-нечувствительных (abi) мутантов Arabidopsis показало, что при регуляции экспрессии ядерных генов и адаптации растений к стрессовым воздействиям окружающей среды с компонентами АБК-сигналов тесно связан Mg-ПротоIX-ретроградный путь передачи сигналов. Связь пластидных сигналов с АБК-сигналами осуществляется через ABI4, который является своеобразным переключателем (“master switch”), контролирующим экспрессию большого числа генов в ответ на различные сигналы. Tранскрипционный фактор ABI4  компонент не только ретроградного образом точкой пересечения сигнальных путей этих органелл [44].
Обнаружено, что в передаче сигналов от пластид к ядру и в сигнальном пути, связанном с АБК, участвует Н-субъединица Мg-хелатазы (ChlH). Белок ChlH является рецептором сигналов, индуцируемых АБК. У Arabidopsis он служит позитивным регулятором сигнальных процессов (сигналинга), индуцируемых Mg-ПротоIX и метаболитами биосинтеза Хл. Растения с повышенной экспрессией этого белка сверхчувствительны к АБК, в то время как СhlH-дефицитные мутанты обладают нечувствительным к АБК фенотипом [4]. Предполагают, что в ретроградной регуляции участвуют также локализованные в пластидах белки EX1 и EX2 [62] и протеинкиназы, в частности, белок тилакоидных мембран STN7, являющийся протеинкиназой Lhcb [42, 62]. Однако эти белки локализованы в пластидах. Цитозольные медиаторы пластидных сигналов до сих пор не идентифицированы. Предполагают также участие в передаче ретроградных сигналов пластид ядерного транскрипционного фактора Whirly1 (Why1), который первоначально был описан как белок, связывающийся с теломерами [42].
Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что ретроградные сигнальные системы пластид тесно связаны со световыми сигналами. Свет индуцирует экспрессию многих ядерных генов фотосинтеза, таких как Cab (кодируют хлорофилл а/b-связывающие белки), RbcS (кодируют малую субъединицу РБФК/О) и Pс (кодируют пластоцианин). Ретроградные сигналы могут усиливать действие световых сигналов или превращать их из индукторов в репрессоры экспрессии генов белков фотосинтеза [7072]. Считают, что ретроградные сигналы пластид являются эндогенным регулятором светового сигналинга и что интеграция световых и пластидных сигналов помогает растениям преодолевать дисфункцию хлоропластов при биогенезе органелл в неблагоприятных световых условиях [71]. Оба типа сигналов действуют на одни и те же cis-элементы в промоторах ядерных генов пластидных белков [73]. В ретроградных и световых сигнальных путях участвует АВI4. По имеющимся данным, этот белок связывается с промотором регулируемого ретроградным сигналом гена через консервативный мотив (ССАС), который является коровым элементом, необходимым для связывания. Таким путем ABI4 ингибирует опосредованную G-рамкой светоиндуцированную экспрессию генов фотосинтеза в условиях, когда развитие хлоропластов подавлено [69].
Ранее была обнаружена тесная связь световых и сахарозных сигнальных путей [74]. Было показано, что сигнальные пути с участием сахарозы могут перекрываться и взаимодействовать (по крайней мере, в некоторых тканях) с другими ретроградными сигнальными путями и таким образом могут модулировать ответную реакцию ядерных генов на ретроградные сигналы. При исследовании sun6 (sucrose-uncoupled6)-мутантов Arabidopsis (аллельных abi4-мутантам) была установлена связь между пластидными редокс-сигналами и регулируемой сахарозой экспрессией генов [75]. Было показано также, что белок SUN6 принимает участие в подавлении сахарозой фитохром А-зависимых сигнальных путей [74]. Эти данные указывают на взаимосвязь сахарозных, световых и пластидных сигнальных путей.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что в клетках растений существует сложная сеть сигнальных путей, функционирующих независимо или взаимодействующих друг с другом за счет общих интермедиатов или конечных компонентов этих путей. Важнейшая роль в этой сети принадлежит тетрапирролам, метаболизм которых лежит в основе функционирования растительной клетки. Несмотря на то, что исследования сигнальных путей у растений, в частности, ретроградных сигналов пластид, ведутся на протяжении многих лет [45], сведения о них фрагментарны. До сих пор неизвестны молекулы, индуцирующие сигнал, механизмы передачи сигналов и все участвующие в передаче сигналов компоненты. В литературе имеется не так много данных о специфичности или взаимодействии (cross-talk) различных сигнальных путей у растений. Дальнейшие исследования с использованием традиционных методов биохимии, прямой и обратной генетики, а также новых методов и подходов системной биологии, транскриптомики, протеомики и метаболомики позволят идентифицировать сигнальные молекулы, индуцирующие ретроградные сигналы, понять механизмы передачи сигналов и выяснить все особенности метаболизма тетрапирролов растительной клетки.
Работа поддержана Программой Президиума Российской академии наук “Молекулярная и клеточная биология”.

 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Papenbrock J., Grimm B. Regulatory Network of Tetrapyrrole Biosynthesis-Studies of Intracellular Signalling Involved in Metabolic and Developmental Control of Plastids // Planta. 2001. V. 213. P. 667–681.
2. Mochizuki N., Tanaka R., Grimm B., Masuda T., Moulin M., Smith A.G., Tanaka A., Terry M.J. The Cell Biology of Tetrapyrroles: A Life and Death Struggle // Trends Plant Sci. 2010. V. 15. P. 488–498.
3. Eckhardt U., Grimm B., Hoertensteiner S. Recent Advances in Chlorophyll Biosynthesis and Breakdown in Higher Plants // Plant Mol. Biol. 2004. V. 56. P. 1–14.
4. Tanaka R., Tanaka A. Tetrapyrrole Biosynthesis in Higher Plants // Annu. Rev. Plant Biol. 2007. V. 58. P. 321–346.
5. Masuda T., Fujita Y. Regulation and Evolution of Chlorophyll Metabolism // Photochem. Photobiol. Sci. 2008. V. 7. P. 1131–1148.
6. Brusslan J.A., Peterson M.P. Tetrapyrrole Regulation of Nuclear Gene Expression // Photosynth. Res. 2002. V. 71. P. 185–194.
7. Nott A.H., Jung S., Koussevitzky S., Chory J. Plastid-to-Nucleus Retrograde Signaling // Annu. Rev. Plant Biol. 2006. V. 57. P. 739–759.
8. Pontier D., Albrieux C., Joyard J., Lagrange T., Block M.A. Knock-Out of the Magnesium Protoporphyrin IX Methyltransferase Gene in Arabidopsis. Effects on Chloroplast Development and on Chloroplast-to-Nucleus Signaling // J. Biol. Chem. 2007. V. 282. P. 2297–2304.
9. Kleine T., Voigt C., Leister D. Plastid Signalling to the Nucleus: Messengers Still Lost in the Mists? // Trends Genet. 2009. V. 25. P. 185–192.
10. Moulin M., Smith A.G. Regulation of Tetrapyrrole Biosynthesis in Higher Plants // Biochem. Soc. Trans. 2005. V. 33. P. 737–742.
11. Tripathy B.C., Sherameti I., Oelmüller R. An Essential Component for Life on Earth // Plant Signal. Behav. 2010. V. 5. P. 14–20.
12. Santana M.A., Pihakaski-Maunsbach K., Sandal N., Marcker K.A., Smith A.G. Evidence That the Plant-Host Synthesizes the Heme Moiety of Leghemoglobin in Root Nodules // Plant Physiol. 1998. V. 116. P. 1259–1269.
13. Terry M.J., McDowell M.T., Lagarias J.C. (3Z)- and (3E)-Phytochromobilin Are Intermediates in the Biosynthesis of the Phytochrome Chromophore // J. Biol. Chem. 1995. V. 270. P. 11 111–11 118.
14. Raux-Deery E., Leech H.K., Nakrieko K.A., McLean K.J., Munro A.W., Heathcote P., Rigby S.E., Smith A.G., Warren M.J. Identification and Characterization of the Terminal Enzyme of Siroheme Biosynthesis from Arabidopsis thaliana: A Plastid-Located Sirohydrochlorin Ferrochelatase Containing a 2Fe-2S Center // J. Biol. Chem. 2005. V. 280. P. 4713–4721.
15. Horie Y., Ito H., Kusaba M., Tanaka R., Tanaka A. Participation of Chlorophyll b Reductase in the Initial Step of the Degradation of Light-Harvesting Chlorophyll a/bProtein Complexes in Arabidopsis // J. Biol. Chem. 2009. V. 284. P. 17 449–17 456.
16. Block M.A., Tewari A.K., Albrieux C., Marechal E., Joyard J. The Plant S-Adenosyl-L-Methionine:Mg-Protoporphyrin IX Methyltransferase Is Located in Both Envelope and Thylakoid Chloroplast Membranes // Eur. J. Biochem. 2002. V. 269. P. 240–248.
17. Tottey S., Block M.A., Allen M., Westergren T., Albrieux C., Scheller H.V., Merchant S., Jensen P.E. Arabidopsis CHL27, Located in Both Envelope and Thylakoid Membranes, Is Required for the Synthesis of Protochlorophyllide // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. V. 100. P. 16 119–16 124.
18. Schulze J.O., Schubert W.D., Moser J.D., Heinz D.W. Evolutionary Relationship between Initial Enzymes of Tetrapyrrole Biosynthesis // J. Mol. Biol. 2006. V. 358. P. 1212–1220.
19. Hedtke B., Alawady A., Chen S., Bornke F., Grimm B. HEMA RNAi Silencing Reveals a Control Mechanism of ALA Biosynthesis on Mg Chelatase and Fe Chelatase // Plant Mol. Biol. 2007. V. 64. P. 733–742.
20. Cornah J.E., Terry M.J., Smith A.G. Green or Red: What Stops the Traffic in the Tetrapyrrole Pathway? // Trends Plant Sci. 2003. V. 8. P. 224–230.
21. McCormac A.C., Terry M.J. Loss of Nuclear Gene Expression during the Phytochrome A-Mediated Far-Red Block of Greening Response // Plant Physiol. 2002. V. 130. P. 402–414.
22. Yaronskaya E., Vershilovskaya I., Poers Y., Alawady A.E., Averina N., Grimm B. Cytokinin Effects on Tetrapyrrole Biosynthesis and Photosynthetic Activity in Barley Seedlings // Planta. 2006. V. 224. P. 700–709.
23. Meskauskiene R., Nater M., Goslings D., Kessler F., Op den Camp R., Apel K. FLU: A Negative Regulator of Chlorophyll Biosynthesis in Arabidopsis thaliana // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. V. 98. P. 12 826–12 831.
24. Goslings D., Meskauskiene R., Kim C., Lee K.P., Nater M., Apel K. Concurrent Interactions of Heme and FLU with Glu-tRNA Reductase (HEMA1), the Target of Metabolic Feedback Inhibition of Tetrapyrrole Biosynthesis, in Dark- and Light-Grown Arabidopsis Plants // Plant J. 2004. V. 40. P. 957-967.
25. Larkin R.M., Alonso J.M., Ecker J.R., Chory J. GUN4, a Regulator of Chlorophyll Synthesis and Intracellular Signalling // Science. 2003. V. 299. P. 902–906.
26. Matsumoto F., Obayashi T., Sasaki-Sekimoto Y., Ohta H., Takamiya K., Masuda T. Gene Expression Profiling of the Tetrapyrrole Metabolic Pathway in Arabidopsis with a Mini-Array System // Plant Physiol. 2004. V. 135. P. 2379–2391.
27. Stephenson P.G., Terry M.J. Light Signalling Pathways Regulating the Mg-Chelatase Branchpoint of Chlorophyll Synthesis during De-Etiolation in Arabidopsis thaliana // Photochem. Photobiol. Sci. 2008. V. 7. P. 1243–1252.
28. Adhikari N.D., Orler R., Chory J., Froehlich J.E., Larkin R.M. Porphyrins Promote the Association of genomes uncoupled 4 and a Mg-Chelatase Subunit with Chloroplast Membranes // J. Biol. Chem. 2009. V. 284. P. 24 783–24 796.
29. Peter E., Grimm B. GUN4 Is Required for Posttranslational Control of Plant Tetrapyrrole Biosynthesis // Mol. Plant. 2009. V. 2. P. 1198–1210.
30. Stenbaek A., Jensen P.E. Redox Regulation of Chlorophyll Biosynthesis // Phytochemistry. 2010. V. 71. P. 853–859.
31. Balmer Y., Vensel W.H., Cai N., Manieri W., Schürmann P., Hurkman W., Buchanan B.B. A Complete Ferredoxin/Thioredoxin System Regulates Fundamental Processes in Amyloplasts // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006. V. 103. P. 2988–2993.
32. Reiland S., Messerli G., Baerenfaller K., Gerrits B., Endler A., Grossmann J., Gruissem W., Baginsky S. Large-Scale Arabidopsis Phosphoproteome Profiling Reveals Novel Chloroplast Kinase Substrates and Phosphorylation Networks // Plant Physiol. 2009. V. 150. P. 889–903.
33. Yamasato A., Nagata N., Tanaka R., Tanaka A. The N-Terminal Domain of Chlorophyllide a Oxygenase Confers Protein Instability in Response to Chlorophyll b Accumulation in Arabidopsis // Plant Cell. 2005. V. 17. P. 1585–1597.
34. Nakagawara E., Sakuraba Y., Yamasato A., Tanaka R., Tanaka A. Clp Protease Controls Chlorophyll b Synthesis by Regulating the Level of Chlorophyllide a Oxygenase // Plant J. 2007. V. 49. P. 800–809.
35. Sakuraba Y., Yamasato A., Tanaka R., Tanaka A. Functional Analysis of N-Terminal Domains of Arabidopsis Chlorophyllide a Oxygenase // Plant Physiol. Biochem. 2007. V. 45. P. 740–749.
36. Sakuraba Y., Tanaka R., Yamasato A., Tanaka A. Determination of a Chloroplast Degron in the Regulatory Domain of Chlorophyllide a Oxygenase // J. Biol. Chem. 2009. V. 284. P. 36 689–36 699.
37. Yamasato A., Tanaka R., Tanaka A. Loss of the N-Terminal Domain of Chlorophyllide a Oxygenase Induces Photodamage during Greening of Arabidopsis Seedlings // BMC Plant Cell. 2008. V. 8. P. 64.
38. Sakuraba Y., Yokono M., Akimoto S., Tanaka R., Tanaka A. Deregulated Chlorophyll b Synthesis Reduces the Energy Transfer Rate between Photosynthetic Pigments and Induces Photodamage in Arabidopsis thaliana // Plant Cell Physiol. 2010. V. 51. P. 1055–1065.
39. Bollivar D.W. Recent Advances in Chlorophyll Biosynthesis // Photosynth. Res. 2006. V. 90. P. 173–194.
40. Mochizuki N., Brusslan J.A., Larkin R., Nagatani A., Chory J. Arabidopsis genomes uncoupled 5 (GUN 5) Mutant Reveals the Involvement of Mg-Chelatase H Subunit in Plastid-to-Nucleus Signal Transduction // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. V. 98. P. 2053–2058.
41. Buchanan B.B., Balmer Y. Redox Regulation: A Broadening Horizon // Annu. Rev. Plant Biol. 2005. V. 56. P. 187–220.
42. Pfannschmidt T. Plastidial Retrograde Signalling – a True ‘‘Plastid Factor’’ or Just Metabolite Signatures? // Trends Plant Sci. 2010. V. 15. P. 427–435.
43. Юрина Н.П., Одинцова М.С. Сигнальные системы растений. Пластидные сигналы и их роль в экспрессии ядерных генов // Физиология растений. 2007. Т. 54. С. 485–498.
44. Cottage A., Mott E.K., Kempster J.A., Gray J.C. The Arabidopsis Plastid-Signalling Mutant gun1 (genomes uncoupled1) Shows Altered Sensitivity to Sucrose and Abscisic Acid and Alterations in Early Seedling Development // J. Exp. Bot. 2010. V. 61. P. 3773-3786.
45. Bradbeer J.W., Atkinson Y.E., Börner T., Hagemann R. Cytoplasmic Synthesis of Plastid Polypeptides May Be Controlled by Plastid-Synthesised RNA // Nature. 1979. V. 279. P. 816–817.
46. Mayfield S.P., Taylor W.C. Carotenoid-Deficient Maize Seedlings Fail to Accumulate Light-Harvesting Chlorophyll a/b Binding Protein (LHCP) mRNA // Eur. J. Biochem. 1984. V. 144. P. 79-84.
47. Susek R., Ausubel F.M., Chory J. Signal Transduction Mutants of Arabidopsis Uncouple Nuclear Cab and RbcS Gene Expression from Chloroplast Development // Cell. 1993. V. 74. P. 787-799.
48. Moulin M., McCormac A.C., Terry M.Y., Smith A.G. Tetrapyrrole Profiling in Arabidopsis Seedlings Reveals That Retrograde Plastid Nuclear Signaling Is Not due to Mg-Protoporphyrin IX Accumulation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. V. 105. P. 15 178–15 183.
49. Mochizuki N., Tanaka R., Tanaka A., Masuda T., Nagatani A. The Steady-State Level of Mg-Protoporphyrin IX Is Not a Determinant of Plastid-to-Nucleus Signaling in Arabidopsis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. V. 105. P. 15 184–15 189.
50. La Rocca N., Rascio N., Oster U., Rüdiger W. Amitrole Treatment of Etiolated Barley Seedlings Leads to Deregulation of Tetrapyrrole Synthesis and to Reduced Expression of Lhc and RbcS Genes // Planta. 2001. V. 213. P. 101–108.
51. Strand A., Asami T., Alonso J., Ecker J.R., Chory J. Chloroplast to Nucleus Communication Triggered by Accumulation of Mg-Protoporphyrin IX // Nature. 2003. V. 421. P. 79–83.
52. Kropat J., Oster U., Rüdiger W., Beck C.F. Chloroplast Signalling in the Light Induction of Nuclear HSP70 Genes Requires the Accumulation of Chlorophyll Precursors and Their Accessibility to Cytoplasm/Nucleus // Plant J. 2000. V. 24. P. 523–531.
53. Von Gromoff E.D., Alawady A., Meinecke L., Grimm B., Beck C.F. Heme, a Plastid-Derived Regulator of Nuclear Gene Expression in Chlamydomonas // Plant Cell. 2008 V. 20. P. 552-567.
54. Погульская Е.Н., Юрина Н.П., Карапетян Н.В. Участие тетрапирролов в регуляции экспрессии ядерного гена низкомолекулярного пластидного белка ELIP // Прикл. биохимия и микробиология. 2006. Т. 42. C. 390–395.
55. Юрина Н.П., Погульская Е.Н., Карапетян Н.В. Действие фотодеструкции пластид из норфлуразон-обработанных проростков на экспрессию ядерных генов, кодирующих стрессовые белки хлоропластов ячменя // Биохимия. 2006. Т. 71. С. 533–540.
56. Осипенкова О.В., Рахимбердиева М.Г., Карапетян Н.В., Юрина Н.П. Участие двух пластидных сигналов в регуляции экспрессии ядерного гена хлоропластного белка ELIP // Докл. РАН. 2007. Т. 416. С. 546549.
57. Ankele E., Kindgren P., Pesquet E., Strand A. In vivo Visualization of Mg-Protoporphyrin IX, a Coordinator of Photosynthetic Gene Expression in the Nucleus and the Chloroplast // Plant Cell. 2007. V. 19. P. 1964–1979.
58. Gadjieva R., Axelsson E., Olsson U., Hansson M. Analysis of gun Phenotype in Barley Magnesium Chelatase and Mg-Protoporphyrin IX Monomethyl Ester Cyclase Mutants // Plant Physiol. Biochem. 2005. V. 43. P. 901–908.
59. Alawady A.E., Grimm B. Tobacco Mg-Protoporpyrin IX Methyltransferase Is Involved in Increase Activation of Mg-Porphyrin and Protoheme Synthesis // Plant J. 2005. V. 41. P. 282–290.
60. Voigt C., Oster U., Börnke F., Jahns P., Dietz K.J., Leister D., Kleine T. In-Depth Analysis of the Distinctive Effects of Norflurazon Implies That Tetrapyrrole Biosynthesis, Organellar Gene Expression and ABA Cooperate in the GUN-Type of Plastid Signalling // Physiol. Plant. 2010. V. 138. P. 503-519.
61. Piippo M., Allahverdiyeva Y., Paakkarinen V., Suoranta U.-M., Battchikova N., Aro E.-M. Chloroplast-Mediated Regulation of Nuclear Genes in Arabidopsis thaliana in the Absence of Light Stress // Physiol. Genom. 2006. V. 25. P. 142–152.
62. Inaba T. Bilateral Communication between Plastid and the Nucleus: Plastid Protein Import and Plastid-to-Nucleus Retrograde Signaling // BioSci. Biotechnol. Biochem. 2010. V. 74. P. 471–476.
63. Zhang Z.W., Yuan S., Feng H., Xu F., Cheng J., Shang J., Zhang D.W., Lin H.H. Transient Accumulation of Mg-Protoporphyrin IX Regulates Expression of PhANGs  New Evidence for the Signaling Role of Tetrapyrroles in Mature Arabidopsis Plants // J. Plant Physiol. 2011. V. 168. P. 714–721.
64. Peter E., Rothbart M., Oelze M.L., Shalygo N., Dietz K.J., Grimm B. Mg-Protoporphyrin Monomethylester Cyclase Deficiency and Effects on Tetrapyrrole Metabolism in Different Light Conditions // Plant Cell Physiol. 2010. V. 51. P. 1229–1241.
65. Jung H.-S., Chory J. Signaling between Chloroplasts and the Nucleus: Can a Systems Biology Approach Bring Clarity to a Complex and Highly Regulated Pathway? // Plant Physiol. 2010. V. 152. P. 453–459.
66. Voss B., Meinecke L., Kurz T., Al-Babili S., Beck C.F., Hess W.R. Hemin and Mg-Protoporphyrin IX Induce Global Changes in Gene Expression in Chlamydomonas reinhardtii // Plant Physiol. 2011. V. 155. P. 892905.
67. Armbruster U., Pesaresi P., Pribil M., Hertle A., Leister D. Update on Chloroplast Research: New Tools, New Topics, and New Trends // Mol. Plant. 2011. V. 4. P. 116.
68. Kakizaki T., Inaba T. New Insights into the Retrograde Signaling Pathway between the Plastids and the Nucleus // Plant Signal. Behav. 2010. V. 5. P. 196199.
69. Koussevitzky S., Nott A., Mockler T.C., Hong F., Sachetto-Martins G., Surpin M., Lim J., Mittler R., Chory J. Signals from Chloroplasts Converge to Regulate Nuclear Gene Expression // Science. 2007. V. 316. P. 715–719.
70. Ruckle M.E., DeMarco S.M., Larkin R.M. Plastid Signals Remodel Light Signaling Networks and Are Essential for Efficient Chloroplast Biogenesis in Arabidopsis // Plant Cell. 2007. V. 19. P. 3944–3960.
71. Larkin R.M., Ruckle M.E. Integration of Light and Plastid Signals // Curr. Opin. Plant Biol. 2008. V. 11. P. 593–599.
72. Осипенкова О.В., Одинцова М.С., Юрина Н.П. Влияние световой, гормональной и углеводной сигнальных систем на экспрессию генов ELIP у gun мутантов Arabidopsis thaliana // Прикл. биохимия и микробиология. 2010. Т. 46. С. 363–371.
73. Kusnetsov V., Bolle C., Lübberstedt T., Sopory S., Herrmann R.G., Oelmüller R. Evidence That the Plastid Signal and Light Operate via the Same cis-Acting Elements in the Promoters of Nuclear Genes for Plastid Proteins // Mol. Gen. Genet. 1996. V. 252. P. 631–639.
74. Dijkwel P.P., Huijser C., Weisbeek P.J., Chua N.H., Smeekens S.C. Sucrose Control of Phytochrome A Signaling in Arabidopsis // Plant Cell. 1997. V. 9. P. 583595.
75. Oswald O., Martin T., Dominy P.J., Graham I.A. Plastid Redox State and Sugars: Interactive Regulators of Nuclear-Encoded Photosynthetic Gene Expression // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. V. 98. P. 20472052.

 
ПОДПИСЬ К РИСУНКУ

Схема биосинтеза тетрапирролов у высших растений.
Сокращения приведены в таблице. Звездочкой (*) отмечены основные ферменты, участвующие в регуляции биосинтеза тетрапирролов. В рамках  классы тетрапирролов.