У растения один геном, определенная последовательность из миллионов пар оснований нуклеотидов. Тем не менее, способ экспрессии этого генома может варьироваться от клетки к клетке, и он может меняться по мере того, как растение проходит различные стадии жизни, от прорастания до вегетативного роста, от цветения до покоя. Некоторые гены должны быть включены, а другие выключены, чтобы каждая растительная клетка делала то, что ей нужно, и тогда, когда это необходимо.
Новое исследование, проведенное биологами из Пенсильванского университета и опубликованное на этой неделе в журнале Nature Genetics, выявило небольшие последовательности в ДНК растений, которые действуют как указатели для отключения активности генов, направляя размещение белков, которые подавляют экспрессию генов. Манипулирование этими короткими фрагментами ДНК дает возможность выращивать растения с усиленной активацией определенных признаков, таких как плодоношение или производство семян. Это открытие может также иметь значение для понимания регуляции генов как у растений, так и у животных.
«Часть идентичности - это то, чем вы не являетесь», - сказала Дорис Вагнер, старший автор исследования и профессор кафедры биологии Пенна в Школе искусств и наук. «Особенно для растений, поскольку они настолько изменчивы и восприимчивы к условиям окружающей среды, часть генома, которая не нужна или может предоставлять неверную информацию, должна быть надежно отключена в каждом состоянии. Затем эта информация передается на дочерние клетки.
«С этими короткими последовательностями, - сказал Вагнер, - мы могли бы попытаться манипулировать ими, используя методы редактирования генов, чтобы изменить экспрессию генов без добавления какого-либо чужеродного генетического материала в растение и эпигенетически изменить экспрессию признаков».
Исследование было сосредоточено на форме регуляции генов, известной как репрессия Polycomb. Белковые комплексы Polycomb были впервые обнаружены у плодовых мушек, которые, как было показано, плотно компактируют ДНК и представляют собой эпигенетическую модификацию, ведущую к молчанию генов. Позднее поликомбовые комплексы были обнаружены у растений и млекопитающих. У всех видов они играют важную роль в определении клеточной идентичности, помогая растительным клеткам помнить, например, что они клетки листа или клетки цветка.
Несмотря на некоторые исследования, связанные с участием коротких сегментов ДНК, называемых ответными элементами Polycomb, или PRE, в процессе нацеливания Polycomb у мух, оставались вопросы о том, играют ли такие PRE широкую роль в подавлении генов у млекопитающих или растений.
Команда Вагнера исследовала комплекс Polycomb под названием PRC2. Используя крупномасштабные наборы данных, собранные ее и другими лабораториями, исследователи определили 170 сегментов ДНК у видов растений Arabidopsis thaliana, которые, вероятно, были PRE. Протестировав пять из этих кандидатов PRE, они подтвердили, что они действуют точно так же, как PRE у плодовых мушек, привлекая комплекс Polycomb к определенным частям генома растения.
Затем исследователи идентифицировали 55 транскрипционных факторов, белков, которые связывают определенные последовательности ДНК и помогают регулировать превращение ДНК в РНК, которые тесно связаны с PRE, и они подтвердили, что 30 из них физически взаимодействовали с PRC2.
«Это как раз то, что должен делать рекрутер, - сказал Вагнер, - найти соответствующий участок генома и ввести Polycomb».
Желая узнать больше о том, какие элементы в самой последовательности ДНК помечают ее для нацеливания комплексами Polycomb, исследователи вернулись к 170 кандидатам PRE, компьютерным путем идентифицировав короткие последовательности ДНК, называемые цис-мотивами, которые распознаются факторами транскрипции. когда они сканируют геном в поисках генов-мишеней.
С помощью дополнительного анализа Вагнер и его коллеги обнаружили, что два цис-мотива совпадают с двумя ранее идентифицированными транскрипционными факторами. Добавление этих цис-мотивов в геном растительной клетки показало, что их достаточно для рекрутирования Polycomb, что делает их по существу синтетическим PRE.
«Мы объединили цис (внутри последовательности ДНК) и транс (действуя на последовательность ДНК) факторы, чтобы показать, как Polycomb воздействует на определенные PREs и широко регулирует экспрессию генов растений», - сказал Вагнер. «Это первая демонстрация того, что этот механизм - рекрутирование Polycomb с помощью этих указателей в ДНК - действует у видов, не относящихся к плодовым мушкам. В будущем я мог бы использовать эти мотивы для эпигенетического усиления желаемых признаков, таких как урожайность или засухоустойчивость, без значительных изменений. последовательность кодирования."
В последующей работе Вагнер хочет изучить PRE, эти мотивы и факторы транскрипции у видов растений, помимо арабидопсиса. Она также хотела бы исследовать, как быстро может измениться система, если, например, растение подвергается водному или солевому стрессу.
Выводы могут также направить работу исследователей за пределами области растений, отметил Кеннет Зарет, директор Пенсильванского института регенеративной медицины, который не участвовал в текущем исследовании, но изучает регуляцию генов у животных.
«Нахождение специфических последовательностей ДНК, которые опосредуют действие репрессивной системы Polycomb, было Святым Граалем для клеточных биологов млекопитающих», - сказал Зарет. «Строгий подход исследования Вагнера прекрасно выявил механизм подавления активности генов, который, без сомнения, будет иметь значение за пределами растительного мира».