Эпигенетическая регуляция - модификация экспрессии генов «извне» - является важной частью общих генетических процессов внутри клетки. Группа ученых теперь раскрывает новый механизм эпигенетической регуляции, который участвует в восстановлении повреждений ДНК у растений, тем самым предполагая возможность усиления глобальной продовольственной безопасности.
В любом эукариотическом организме ДНК в клетке существует не в виде рыхлой нити, а в виде высококонденсированного комплекса, состоящего из ДНК и других белков, известных как гистоны. В целом, эта конденсированная структура называется хроматином, и эта упаковка важна для поддержания целостности структуры и последовательности ДНК. Однако, поскольку хроматин ограничивает топологию ДНК, модификация хроматина (через модификацию гистонов) является важной формой регуляции генов и называется эпигенетической регуляцией. Теперь группа ученых во главе с профессором Сатихиро Мацунага из Токийского научного университета обнаружила новый механизм эпигенетической регуляции, в центре которого лежит фермент гистондеметилаза, называемый лизин-специфической деметилазой 1-подобной 1 (LDL1). Профессор Мацунага заявляет: «Обнаруженный нами новый механизм эпигенетической регуляции связан с восстановлением повреждений ДНК у растений, и мы считаем, что он имеет множество реальных применений». Это исследование опубликовано в Американском обществе биологов растений.
Геном организма постоянно подвергается различным стрессам, которые вызывают в нем нестабильность или ошибки, приводящие к повреждениям или «разрывам» последовательностей. Эти разрывы восстанавливаются автономно с помощью процесса, называемого гомологичной рекомбинацией (HR), и, таким образом, HR необходим для поддержания стабильности генома. Как и для всех других генетических регуляторных процессов, структура хроматина должна быть изменена, чтобы HR происходил гладко. Профессор Мацунага и его команда ранее обнаружили консервативный белок под названием RAD54; они обнаружили, что RAD54 участвует в ремоделировании хроматина у модельного растения Arabidopsis и, таким образом, способствует стабильности генома и реакции на повреждение ДНК. Однако как рекрутирование RAD54 в месте HR, так и правильная диссоциация RAD54 из этого места важны для проявления его эффектов. Отвечая на вопрос об их мотивации для этого исследования, профессор Мацунага откровенно заявляет: «Наше предыдущее исследование показало, что RAD54 помогает HR, но механизмы рекрутирования и диссоциации были плохо изучены. Наше новое исследование пытается пролить свет на эти механизмы».
Используя такие методы, как ко-иммунопреципитация и масс-спектрометрия, ученые впервые идентифицировали и включили в окончательный список белки, которые взаимодействуют с RAD54 и регулируют его динамику с хроматином во время репарации повреждений ДНК на основе HR у арабидопсиса. Затем они впервые определили, что гистондеметилаза LDL1 взаимодействует с RAD54 в местах повреждения ДНК. Они обнаружили, что RAD54 специфически взаимодействует с метилированной 4-й аминокислотой лизина на одном из четырех основных гистонов хроматина, H3 (H3K4me2). Затем ученые обнаружили, что LDL1 подавляет это взаимодействие, деметилируя H3K4me2. Они пришли к выводу, что LDL1 удаляет избыток RAD54 из участков повреждения ДНК посредством деметилирования H3K4me2 и, таким образом, способствует восстановлению HR у Arabidopsis. Таким образом, LDL1 обеспечивает правильную диссоциацию RAD54 от участка репарации HR в ДНК.
Приветствуя этот захватывающий результат, профессор Мацунага говорит: «Это открытие является важным дополнением к науке о растениях, а также к основам молекулярной биологии. Это продолжение нашего предыдущего исследования, которое показало, что RAD54 накапливается в поврежденных участках у арабидопсиса и что избыток RAD54 подавляет восстановление повреждений, что может быть опасно для растения. Наше новое исследование показывает, что LDL1 помогает и улучшает восстановление повреждений ДНК, удаляя RAD54 из поврежденного участка».
Итак, почему результаты этого исследования так важны? Мацунага объясняет и это. «В отличие от животных, растения неподвижны и, следовательно, более уязвимы к стрессам окружающей среды, таким как высокие температуры, засуха, патогены, паразиты и плохие почвенные условия, - говорит Мацунага, - и эти стрессы подавляют развитие и рост растений, вызывая ДНК. Следовательно, эффективная реакция на повреждение ДНК имеет решающее значение для обеспечения оптимального роста и выживания растений. Наше исследование раскрывает один из возможных механизмов эпигенетической регуляции, который может улучшить реакцию на повреждение ДНК у растений».
Наконец, профессор Мацунага касается самого важного приложения исследований этой группы.«Растения можно обрабатывать LDL1 для искусственного контроля над эпигенетической модификацией, чтобы они стали более устойчивыми к стрессам, таким как инфекции, стрессы окружающей среды и механические нагрузки», - говорит Мацунага. «Мы считаем, что это будет полезно для создания устойчивых сортов сельскохозяйственных культур с улучшенным ростом, долговечностью и лучшими характеристиками, что будет способствовать глобальной продовольственной безопасности».