Структурні особливості α-тубуліну моркви, що зумовлюють нативну стійкість до гербіцідів динітроанілінового ряду

  • О. Г. Мельник ДУ «Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України», Україна, 04123, м. Київ, вул. Байди-Вишневецького, 2а; ННЦ «Інститут біології та медицини» Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Україна, 03022, м. Київ, просп. акад. Глушкова, 2 https://orcid.org/0000-0002-4249-9175
  • С. П. Ожерєдов ДУ «Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України», Україна, 04123, м. Київ, вул. Байди-Вишневецького, 2а https://orcid.org/0000-0003-4710-0706
  • Я. Б. Блюм ДУ «Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України», Україна, 04123, м. Київ, вул. Байди-Вишневецького, 2а https://orcid.org/0000-0001-7078-7548
  • П. А. Карпов ДУ «Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України», Україна, 04123, м. Київ, вул. Байди-Вишневецького, 2а https://orcid.org/0000-0002-6876-642X
DOI: https://doi.org/10.7124/FEEO.v35.1678
Ключові слова: α-тубулін, динітроанілінові сполуки, гербіциди, резистентність, трифлуралін, мікротрубочки

Анотація

Мета. Пояснити природну стійкість моркви (Daucus carota L.) до гербіцидів динітроанілінового ряду. З’ясувати особливості молекул α-тубуліну моркви, які можуть впливати на формування ліганд-білкового комплексу, на підставі структурного та електростатичного аналізу сайту зв’язування. Методи. Реконструкція просторової структури α-тубуліну D. carota і Toxoplasma gondii за допомогою профільного (Swiss-Model) і de-novo (AlphaFold2) моделювання. Молекулярна динаміка (МД) побудованих структурних моделей у Gromacs. Аналіз електростатичного стану молекул за допомогою інструментів PDB2PQR / APBS. Візуалізація та аналіз молекулярних структур за допомогою програми PyMOL. Результати. Показано що поряд із характерним позитивним зарядом карману сайту зв’язування сполук динітроанілінового ряду, у всіх раніше визначених ізотипів α-тубуліну моркви існують негативно заряджені ділянки, здатні конфліктувати з окси-групами лігандів. Також, у всіх ізотипів було визначено формування негативно зарядженого «містку» між Cys316 та арильним фрагментом Phe255, який, на нашу думку, не лише конкурує з циклічним фрагментом лігандів, але й в цілому створює перепони для розкриття кишені сайту. Висновки. З'ясовано, що природна стійкість D. carota до дії динітроанілінових гербіцидів може бути пов'язана зі стеричними та електростатичними конфліктами, які виявляються у всіх ізотипів α-тубуліну. На нашу думку, це перешкоджає взаємодії із сполуками динітроанілінового ряду ще на етапі первинного впізнавання сайту, тобто найперших етапах потенційного утворення комплексу.

Посилання

Nyporko A. Y., Yemets A. I., Brytsun V. N., Lozinsky M. O., Blume Y. B. Structural and biological characterization of the tubulin interaction with dinitroanilines. Cytol. Genetics. 2009. Vol. 43. P. 267–282. 10.3103/S0095452709040082.

Chen J, Yu Q., Patterson E., Sayer C., Powles S. Dinitroaniline herbicide resistance and mechanisms in weeds. Front Plant Sci. 2021. Vol. 12. P. 634018. doi: 10.3389/fpls.2021.634018.

Yemets А. І., Blume Ya. B. Progress in plant polyploidization based on antimicrotubular drugs. The Open Horticult. J. 2008. Vol. 1 (1). P. 15–20. doi: 10.2174/1874840600801010015

Touchell D. H., Palmer I.E., Ranney T.G. In vitro ploidy manipulation for crop improvement. Front. Plant Sci. 2020. Vol. 3 (11). P. 722. doi: 10.3389/fpls.2020.00722.

Giglio A., Vommaro M. L. Dinitroaniline herbicides: a comprehensive review of toxicity and side effects on animal non-target organisms. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022. Vol. 29 (51). P. 76687-76711. doi: 10.1007/s11356-022-23169-4.

Vaughan M.A., Vaughn K.C. Carrot microtubules are dinitroaniline resistant. I. Cytological and cross-resistance studies. Weed Res. 1988. Vol. 28. P. 73–83. doi: 10.1111/j.1365-3180.1988.tb00789.x

Affeldt R., MacKenzie J., Martens B. Carrot tolerance to pendimethalin and oxyfluorfen. Central Oregon Agricultural Research Center (Oregon State University) 2007. Annual Report. Special Report 1084 (August 2008). 2008. P. 15-17.

Morrissette N.S., Mitra A., Sept D., Sibley L.D. Dinitroanilines bind alpha-tubulin to disrupt microtubules. Mol. Biol. Cell. 2004. Vol. 15(4). P. 1960-1968. doi: 10.1091/mbc.e03-07-0530.

Blume Y.B., Nyporko A.Y., Yemets A.I., Baird W.V. Structural modeling of the interaction of plant alpha-tubulin with dinitroaniline and phosphoroamidate herbicides. Cell Biol Int. 2003. Vol. 27 (3). P. 171-174. doi: 10.1016/s1065-6995(02)00298-6.

Ma C., Tran J., Gu F., Ochoa R., Li C., Sept D., Werbovetz K., Morrissette N. Dinitroaniline activity in Toxoplasma gondii expressing wild-type or mutant alpha-tubulin. Antimicrob. Agents Chemother. 2010. Vol. 54 (4). P. 1453-1460. doi: 10.1128/AAC.01150-09.

Ma C., Li C., Ganesan L., Oak J., Tsai S., Sept D., Morrissette N. S. Mutations in alpha-tubulin confer dinitroaniline resistance at a cost to microtubule function. Mol. Biol. Cell. 2007. Vol. 18(12). P. 4711-4720. doi: 10.1091/mbc.e07-04-0379.

Aguayo-Ortiz R., Dominguez L. Unveiling the possible oryzalin-binding site in the α-tubulin of Toxoplasma gondii. ACS Omega. 2022. Vol. 7(22). P. 18434-18442. doi: 10.1021/acsomega.2c00729.

Melnyk O.G., Blume R.Ya., Karpov P.A. Differences in amino acid composition of carrot α-tubulin potentially confer the resistance to dinitroaniline herbicides. Faktori Eksp. Evolucii Organizmiv. 2023. Vol.32. P. 47-52. doi: 10.7124/FEEO.v32.1534.

Jurrus E., Engel D., Star K., Monson K., Brandi J., Felberg L.E., Brookes D.H., Wilson L., Chen J., Liles K. et al. Improvements to the APBS biomolecular solvation software suite. Protein Sci. 2018. Vol. 27 (1). P. 112-128. doi: 10.1002/pro.3280.

Jones G., Willett P., Glen R.C., Leach A.R., Taylor R. Development and validation of a genetic algorithm for flexible docking. J. Mol. Biol. 1997. Vol. 267 (3). P. 727-748. doi: 10.1006/jmbi.1996.0897.

Abraham M., Alekseenko A., Bergh C., Blau C., Briand E., Doijade M., Fleischmann S., Gapsys V., Garg G., Gorelov S., et al. GROMACS 2023 Manual. doi: 10.5281/zenodo.7588711.