Команда биологов и ученых-компьютерщиков наметила сеть взаимодействий того, как гены растений координируют свою реакцию на азот, важнейшее питательное вещество и основной компонент удобрения. Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, предлагает потенциальную основу и более эффективные методы, которые можно использовать для исследования широкого спектра жизненно важных путей в любом организме.
«Секвенирование целых геномов изменило науки о жизни, что привело к прорывам в медицине, сельском хозяйстве и фундаментальных исследованиях», - объясняет Мэтью Брукс, постдокторский сотрудник Национального института здоровья на факультете биологии Нью-Йоркского университета и ведущий автор статьи.. «Теперь задача состоит в том, чтобы определить, как гены, кодируемые организмом, регулируются и работают вместе в сетях, которые позволяют растениям и животным реагировать на окружающую среду».
Ученые, работающие в Центре геномики и системной биологии Нью-Йоркского университета, сосредоточились на сетях регуляции генов, которые состоят из факторов транскрипции и генов-мишеней, которые они регулируют. Эти регуляторные сети генов позволяют организмам адаптироваться к изменчивой среде.
Однако многоклеточные организмы, в которых существует большое количество транскрипционных факторов и генов-мишеней, которые они потенциально регулируют, представляют собой проблему для картирования всех связей. Характер взаимодействий в этих сложных сетях трудно экспериментально подтвердить с использованием обычных методов.
Чтобы преодолеть эти препятствия, команда, в которую также входили исследователи из Института математических наук Куранта при Нью-Йоркском университете, объединила инновационные экспериментальные и вычислительные методы, чтобы охарактеризовать генную сеть, лежащую в основе реакций азота. Исследование было сосредоточено на растении Arabidopsis, модельном организме для исследований, поскольку это первое растение, геном которого полностью секвенирован.
Вместо стандартного подхода изменения экспрессии одного гена за раз в целых растениях, что может занять много месяцев даже для одного фактора транскрипции, группа расширила клеточный метод, который позволил им экспериментально определить более 85 000 связей между 33 ранними факторами транскрипции, чувствительными к азоту, и генами-мишенями, которые они регулируют, примерно за два месяца. В совокупности 33 фактора транскрипции регулируют 88 процентов генов ответа на азот в растениях. В подходе, который они называют Network Walking, ученые могут использовать этот огромный объем данных, чтобы наметить путь для фактора транскрипции от его прямых генных мишеней в клетках корней до непрямых генных мишеней в растениях.
«Все организмы изменяют экспрессию генов в ответ на питательные вещества и сигналы развития, что позволяет им выживать и расти в окружающей среде», - отмечает Глория Коруцци, профессор кафедры биологии Нью-Йоркского университета и старший автор статьи. «Но понимание и экспериментальная проверка последовательности взаимодействий в этих чрезвычайно сложных сетях регуляции генов - сложная задача. Наш подход представляет собой способ быстро раскрыть и подтвердить эти сложные отношения, предлагая потенциальный путь для создания или разведения более эффективных, экономичных и экологически безопасные методы выращивания растений и сельскохозяйственных культур, но наши экспериментальные и вычислительные подходы Network Walking могут быть применены к любой системе в биологии, сельском хозяйстве или медицине».