Как скажут вам родители однояйцевых близнецов, на самом деле они никогда не бывают идентичными, даже если у них одинаковые гены. Это верно и для растительного мира. Теперь новое исследование, проведенное Кембриджским университетом, помогает объяснить, почему растения-близнецы с идентичными генами, выращенные в одинаковых условиях, продолжают демонстрировать свои собственные уникальные характеристики.
Ученые из лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета (SLCU) создали атлас экспрессии генов, который отображает «шумные гены» генетически идентичных растений. Исследование, опубликованное сегодня в Molecular Systems Biology, показало, что около 9% генов в идентичных растениях сильно различаются по своему поведению. Интересно, что многие из этих очень изменчивых (самых шумных) генов помогают растению реагировать на окружающую среду, включая гены, участвующие в реакции на свет, температуру, патогены и питательные вещества. Эта изменчивость в поведении генов может быть полезна в природе для популяций генетически сходных растений для защиты от стрессов окружающей среды, таких как засуха, высокая соленость или экстремальные температуры. Это означает, что в популяции всегда будет несколько растений, которые готовы пережить различные стрессы из-за их изменчивого поведения генов (подстраховки). Но эта изменчивость также может быть проблемой, например, в сельском хозяйстве, где окружающая среда более контролируема, и фермеры хотят получать однородные культуры, которые прорастают и цветут в одно и то же время и одинаково реагируют на внесение удобрений и воды.
Это первый случай, когда глобальные уровни шума в экспрессии генов были измерены у растений. Онлайн-атлас открытого доступа (AraNoisy) предоставит ученым всего мира ресурс для изучения того, как изменчивость экспрессии генов влияет на выживаемость и разнообразие растений в клональных популяциях. Этот важный шаг поможет нам лучше понять, как растения выживают в изменчивых условиях, и может в конечном итоге привести к дальнейшим исследованиям как в области сохранения растений, так и в будущем развитии сельскохозяйственных культур.
Что такое экспрессия генов?
Просмотра полного генетического кода (называемого геномом) отдельного растения или животного недостаточно, чтобы полностью понять индивидуальные характеристики. То, как ведут себя гены (экспрессия генов), может заметно отличаться у людей с одинаковым геномом. Ген экспрессируется, когда генетический код гена используется для управления набором реакций, которые синтезируют белок или другую функциональную молекулу внутри клетки. Копирование сегмента ДНК в РНК является первым шагом в этой последовательности и называется транскрипцией. В этом исследовании «шум» в экспрессии генов относится к измеренному уровню вариации РНК между отдельными растениями. Измерение изменчивости экспрессии генов позволяет выявить, какие гены более шумные, чем другие.
Доктор Сандра Кортихо из группы Локка в SLCU изучает, как регулируется экспрессия генов и почему некоторые гены экспрессируются непредсказуемым образом.
Чтобы изучить это, доктор Кортихо взялся за гигантскую задачу по измерению глобальных уровней шума в экспрессии генов у одного вида растений. Используя генетически идентичные растения, она измерила экспрессию всех их отдельных генов в течение 24 часов.
«Для нашего модельного растения мы использовали саженцы небольшого дикого родственника капусты, называемого кресс-салатом (Arabidopsis thaliana), который чаще всего растет как сорняк в трещинах тротуаров», - сказал доктор Кортихо. «Мы проводили секвенирование РНК на отдельных проростках каждые два часа в течение 24-часового периода и анализировали изменчивость 15 646 отдельных генов в геноме растения.
Мы определили, что 9% (1 358 отдельных генов) генов были сильно изменчивы, по крайней мере, в один момент времени в течение 24-часового периода. суточный цикл - гены с более изменчивой активностью ночью или гены с более изменчивой активностью днем».
В рамках исследования доктор Кортихо также определил факторы, которые могут повышать вариабельность экспрессии генов. Высоковариабельные гены, как правило, короче, на них нацелено большее количество других генов (факторов транскрипции) и они характеризуются «закрытым» хроматиновым окружением (которое позволяет изменять экспрессию генов путем присоединения дополнительных молекул во время процесс чтения генов (транскрипция) без фактического изменения ДНК клетки).
«Эти результаты проливают новый свет на влияние транскрипционной изменчивости на регуляцию экспрессии генов у растений и могут быть использованы в качестве основы для дальнейших исследований того, как шумные гены связаны с тем, как растения реагируют на окружающую среду», - д-р Кортихо. сказал.«Растения представляют собой замечательную систему, с которой можно работать, когда вы изучаете, как гены регулируются в ответ на изменения окружающей среды, поскольку они не могут двигаться и, следовательно, должны постоянно ощущать изменения окружающей среды и реагировать на них. Эволюция изменчивой экспрессии генов может повысить устойчивость растения. популяции в различных условиях окружающей среды без изменения их генов. Понимание того, как растения производят и регулируют этот шум в экспрессии генов, будет важно для будущего развития более однородных сельскохозяйственных культур и для понимания того, как популяции диких растений могут пережить более частые экстремальные погодные условия из-за изменения климата.."
Руководитель исследовательской группы SLCU, доктор Джеймс Локк, сказал, что данные являются важным новым ресурсом для дальнейших исследований: «Это важный ресурс для ученых, изучающих, как генетически идентичные растения выживают в изменчивых условиях, и обеспечивает основу для будущей работы по поиску как генетические и эпигенетические факторы регулируют изменчивость отдельных генов."
AraNoisy атлас шумных генов
AraNoisy - это веб-инструмент для доступа к межиндивидуальной изменчивости транскрипции у Arabidopsis thaliana в течение 24-часового суточного цикла. Вариабельность экспрессии отдельных представляющих интерес генов можно просмотреть по адресу