По мере того, как растущее растение упирается корнями в почву, новые клетки, образующиеся на их кончиках, выполняют разные функции: от транспортировки воды и питательных веществ до восприятия гравитации.
Новое исследование указывает на один из способов, благодаря которому эти новообразованные клетки, содержащие одинаковую ДНК, обретают свою особую идентичность.
Исследователи идентифицировали набор ДНК-связывающих белков в корнях растения Arabidopsis thaliana, которые работают в комбинации, помогая клеткам-предшественникам избирательно читать разные части одного и того же генетического сценария и приобретать разные судьбы.
Проведенное учеными из Университета Дьюка исследование дает ответы на давний вопрос биологии развития, а именно, как растения и животные создают так много типов клеток с помощью одного и того же набора инструкций.
Выводы опубликованы в выпуске журнала Developmental Cell от 5 декабря.
Ткани растений и животных начинаются как незрелые клетки, называемые стволовыми клетками. Для того чтобы эти неспециализированные клетки приобрели характеристики, отличающие клетку листа от клетки корня или клетку крови от мышечной клетки, они должны включить различные подмножества генов для производства белков, ответственных за отличительные свойства каждого типа клеток.
«Это проблема курицы и яйца», - сказала первый автор Эрин Спаркс, постдокторский сотрудник профессора биологии Университета Герцога Филипа Бенфи. Как клетки начинают включать разные гены, если они изначально одинаковы?
Спаркс, Бенфи и их коллеги считают, что они определили один путь у арабидопсиса.
Двоюродный брат капусты и редиски, арабидопсис является лабораторной мышью растительного мира. Крошечные нитевидные корни растения состоят примерно из 15 типов клеток, у каждого из которых свой набор функций.
Только некоторые из 30 000 генов растения активны в данной корневой клетке в данный момент времени благодаря белкам, называемым транскрипционными факторами, которые включают и выключают гены по мере необходимости.
Исследование было сосредоточено на ключевом транскрипционном факторе арабидопсиса под названием «короткий корень», названном так потому, что растения с вредными версиями гена короткого корня имеют низкорослые корни.
За последние несколько десятилетий Бенфи и его коллеги показали, что Short-root действует как главный переключатель, инициируя процесс, который трансформирует клетки-предшественники общего назначения в специализированные клетки, обнаруженные в определенных частях корня арабидопсиса.
Предыдущие исследования показали, что Short-root также активирует другие факторы транскрипции, создавая каскад, в котором каждый белок, регулирующий гены, контролирует следующий на пути развития корня.
Исследователи идентифицировали многие генные мишени Коротких корней, но не были уверены, что контролировало главный переключатель Коротких корней, чтобы запустить каскад.
Ответ, как показывает новое исследование, заключается не в одном, а в нескольких ДНК-связывающих белках.
Sparks использовал модифицированную версию метода, называемого дрожжевым одногибридным анализом, для идентификации более 20 корневых белков, которые, вероятно, будут связываться с промоторной областью гена Short-root, чтобы контролировать его активность.
Конечно же, растения с мутантными версиями этих ДНК-связывающих белков продуцировали корневые клетки с измененным уровнем Short-root.
Некоторые связывающие белки активируют ген Short-root, а другие отключают его. Хотя большинство этих белков присутствуют в нескольких типах клеток корня, исследователи обнаружили, что их статистические модели и эксперименты на живых растениях предполагают, что комбинированный эффект заключается в активации главного переключателя короткого корня в одних клетках, но не в других.
«Все дело в балансе между активаторами и репрессорами», - сказал Спаркс. «Это их скоординированный эффект, который включает или выключает Короткий корень».
Подобные механизмы могут инициировать дифференцировку клеток и у других видов растений, сказал Спаркс. Если это так, это может сделать судьбу клетки более устойчивой к случайным мутациям в генетическом коде растения, даже если такие изменения не позволяют некоторым белкам, регулирующим гены, связываться с намеченными ДНК-мишенями.
«Распределяя ответственность, мы можем защитить систему от небольших изменений», - сказал Спаркс.