При развитии многоклеточного организма каждая клетка должна знать свое место по отношению ко всем другим клеткам. Это означает, что клетки должны взаимодействовать между собой, чтобы создавать модели, из которых возникают различные типы тканей и клеток. В случае с животными мы знаем о сигналах и механизмах, управляющих этими процессами формирования паттернов.
С растениями дело обстоит иначе, потому что многоклеточные растения эволюционировали независимо от многоклеточных животных. Профессор Марья Тиммерманс из Центра молекулярной биологии растений в Тюбингене работала с коллегами из лабораторий Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке, чтобы обнаружить, что клеточная связь во время формирования паттерна у растений осуществляется с помощью уникального и сложного механизма. Растения используют «малые РНК» в качестве мобильных сигналов. Малые РНК ранее были известны своей ролью в механизмах защиты от травоядных или болезнетворных микроорганизмов, но, как показывает новое исследование, они также лежат в основе того, что клетки листа принимают правильную идентичность в пространстве и времени. Результаты этого исследования были опубликованы в последнем выпуске Developmental Cell.
«Исследования формирования паттернов в организмах имеют богатую историю в Тюбингене», - отмечает Марья Тиммерманс. В начале семидесятых годов профессора Ганс Мейнхардт и Альфред Гирер, работавшие в то время в Институте исследования вирусов им. Макса Планка, разработали основные принципы возникновения паттерна в популяции клеток, по биологии развития, была удостоена Нобелевской премии за свою работу по генетическому контролю формирования паттерна в яйце плодовой мушки дрозофилы в 1995 году.
Коммуникация и формирование паттернов у многоклеточных животных часто происходят посредством мобильных сигналов, которые используют градиенты концентрации. В зависимости от концентрации, а часто и от порогового значения, клетки специализируются на различных задачах. Теперь показано, что этот механизм происходит и у растений, хотя они используют другие сигнальные химические вещества. В отличие от клеток животных, растительные клетки могут быть связаны плазменными мостиками, что позволяет регулирующим факторам перемещаться по всей системе и способствует формированию паттернов.
Марья Тиммерманс и ее коллеги проследили за подсказками, указывающими на то, что малые РНК могут участвовать в формировании паттерна растительных клеток. Малые РНК представляют собой короткие цепочки молекул, которые идеально соответствуют определенным регуляторным участкам генетической информации в ДНК или РНК. Они могут прикрепляться туда, тем самым предотвращая чтение этих конкретных генов. Малые РНК позволяют точно регулировать выработку белка и, следовательно, процессы развития в клетках.
Высокопроизводительный механизм передачи информации о местоположении
Используя модельное растение для генетики, арабидопсис или кресс-салат, исследователи исследовали, какую роль играют малые РНК в расположении и развитии нового листа. Внедрив искусственные малые РНК, они изменили концентрацию этих координирующих элементов и наблюдали за реакцией клеток растущего листа. «Удивительно было то, что малые РНК были способны создавать стабильные паттерны», - говорит Тиммерманс. Как и в случае с мобильными сигнальными химическими веществами у животных, малые РНК образуют градиент концентрации. «В отличие от обычных сигналов развития, малые РНК действуют очень специфическим образом и могут напрямую вмешиваться в активность генов».
Таким образом, малые РНК могут регулировать активность определенных генов в зависимости от их местоположения - без обратной связи с другими компонентами процесса. «Мобильные малые РНК обеспечивают высокоэффективный механизм передачи информации о местоположении. Они могут вырабатывать точные модели развития», - резюмирует Тиммерманс.