Порушення розкриття сайту зв’язування динітроанілінів як фактор стійкості рослин дикої моркви до гербіцидів

  • О. Г. Мельник ДУ «Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України», Україна, 04123, м. Київ, вул. Байди-Вишневецького, 2А; Навчально-науковий центр «Інститут біології та медицини» Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Україна, 01601, м. Київ, вул. Володимирська, 64/13 https://orcid.org/0000-0002-4249-9175
  • П. А. Карпов 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.v36.1725
Ключові слова: α-тубулін, динітроаніліни, резистентність, оризалін, гербіциди, об'єм сайту зв'язування

Анотація

Мета. Дослідити структурну природу нативної стійкості рослин моркви до дії динітроанілінових гербіцидів на основі аналізу варіацій об'єму кишень сайтів зв'язування та амінокислотного складу послідовностей ізотипів α-тубуліну. Методи. Реконструкція лігандних-білок комплексів за допомогою методів штучного інтелекту (Protenix, на основі AlphaFold3). Аналіз об'ємів та форм сайтів ліганд-білкової взаємодії із застосуванням плагіну CavitOmiX. Вирівнювання послідовностей (ClustalX), філогенетичний аналіз (MEGA11) та візуалізація просторових структур молекул (PyMOL, Discovery Studio). Результати. Аналіз 8 ізотипів α-тубуліну Daucus carota L. виявив значну структурну та функціональну гетерогенність ділянок потенційних сайтів зв'язування сполук динітроанілінового ряду (DBR). Реконструкція структур комплексів за допомогою сервісу Protenix показала варіабельність кишень цільового сайту на рівні ізотипів α-тубуліну моркви. Незважаючи на те, що ізотипи TBA1, TBA5 і TBA8 показали часткове розкриття кишень сайту, їх об'єм виявляється зменшеним, а решта ізотипів (TBA2-TBA4, TBA6-TBA7) взагалі виявились нездатними формувати комплекси з оризаліном. Це дозволяє припустити що, саме це є однією з причин того, що молекули α-тубуліну моркви або значно зменшили потенціал взаємодії з динітроанілінами, або повністю його втратили. Висновки. У рамках досліджень природної стійкості рослин моркви до динітроанілінів, результати актуального дослідження вказують на суттєві порушення у механізмах формування кишені цільового сайту. Враховуючи ліганд-індуковану природу зазначеного сайту, такі порушення виключають можливість взаємодії ще на стадії формування кишені сайту, що є однією з найбільш вірогідних причин нативної стійкості рослин D. carota до похідних динітроанілінового ряду.

Посилання

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. https://doi.org/10.1091/mbc.e03-07-0530.

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. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c00729.

Chu Z., Chen J., Nyporko A., Han H., Yu Q., Powles S. Novel α-Tubulin Mutations Conferring Resistance to Dinitroaniline Herbicides in Lolium rigidum. Front Plant Sci. 2018. Vol. 9. # 97. eCollection. 2018. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00097.

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. https://doi.org/10.1091/mbc.e07-04-0379.

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. https://doi.org/10.1128/AAC.01150-09.

Mitra A., Sept D. Binding and interaction of dinitroanilines with apicomplexan and kinetoplastid alpha-tubulin. J Med Chem. 2006. Vol. 49 (17). P. 5226–5231. https://doi.org/10.1021/jm060472+.

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. https://doi.org/10.1016/s1065- 6995(02)00298-6.

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. Genet. 2009. Vol. 43. P. 267–282. https://doi.org/10.3103/S0095452709040082.

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 eksperimentalnoi evolucii organizmiv. 2023. Vol. 32. P. 47–52. https://doi.org/10.7124/FEEO.v32.1534.

Melnyk O. G., Ozheredov S. P., Blume Y. B., Karpov P. A. Structural features of carrot α-tubulin predetermining the natural resistance to dinitroaniline herbicides. Faktori eksperimentalnoi evolucii organizmiv. 2024. Vol. 35. P. 158–163. https://doi.org/10.7124/FEEO.v35.1678.

Stevenson G. A., Kirshner D., Bennion B. J., Yang Y., Zhang X., Zemla A., Torres M. W., Epstein A., Jones D., Kim H., Bennett W. F. D., Wong S. E., Allen J. E., Lightstone F. C. Clustering Protein Binding Pockets and Identifying Potential Drug Interactions: A Novel Ligand-Based Featurization Method. Journal of chemical information and modeling. 2023. Vol. 63 (21). P. 6655–6666. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.3c00722.