Обнаружены альтернативные сайты инициации транскрипции в тысячах генов сои

Более 70 лет назад была открыта структура ДНК. Сегодня ученые продолжают находить новые способы ее «чтения».

В 2010 году профессор агрономии Цзяньсинь Ма и его коллеги создали первый референсный геном для сои на основе широко изучаемого сорта Williams 82. С тех пор тысячи исследователей использовали этот геном для изучения генетической основы различных признаков: содержания белка и масла в семенах, архитектуры и продуктивности растения, устойчивости к болезням и абиотическим стрессам.

Новое исследование лаборатории Ма, опубликованное в The Plant Cell, использовало современные достижения геномики, чтобы заполнить пробелы в исходном референсном геноме сои.

«Референсный геном был как словарь. Каждый ген — как отдельное слово. Однако не хватало критической информации: сайтов инициации транскрипции для отдельных генов», — сказал Ма.

Что такое сайты инициации транскрипции?

• Это участки ДНК, где специализированный транскрипционный фактор может связаться и начать строить mRNA-копию гена.
• Эта mRNA затем считывается рибосомой для создания белков.
• Знание того, где начинается формирование mRNA, важно для понимания экспрессии генов, так как эти сайты содержат регуляторные элементы и сообщают клетке, когда, где и как часто транскрибировать ген.

Новый взгляд на старую догму

В генетике традиционно считалось, что у каждого гена есть один сайт инициации транскрипции, расположенный ниже области промотора, обычно вокруг TATA-бокса (последовательности, богатой повторами тимина и аденина). Новое исследование показывает, что это не так.

«Существует набор предсказанных сайтов начала транскрипции для более чем 50 000 генов сои, но, согласно нашему новому исследованию, менее 3% из них на самом деле верны», — заявил Ма.

Метод и открытия

В 2020 году развитие метода STRIPE-seq (Survey of TRanscription Initiation at Promoter Elements Sequencing) позволило лаборатории Ма эффективно и с высокой точностью идентифицировать сайты инициации транскрипции во всем геноме сои.

• Ученые провели STRIPE-seq-анализ восьми различных тканей сои: листьев, стеблей, точек роста стебля, корней, клубеньков, цветов, стручков и развивающихся семян.
• Были идентифицированы сайты инициации транскрипции для около 40 000 генов.
• Обнаружены широко распространенные альтернативные сайты инициации транскрипции за пределами области TATA-бокса и других последовательностей, считавшихся промоторами.

Ключевые выводы исследования:

1. Альтернативные сайты в кодирующей последовательности: Некоторые новые сайты находятся внутри самой кодирующей последовательности гена. Это означает, что транскрипционные факторы могут связываться с разными участками гена, начиная синтез разных вариантов mRNA и, потенциально, разных белков из одного и того же гена.
2. Тканеспецифичность: Обнаружены специализированные сайты инициации транскрипции в корневых клубеньках (структурах на корнях бобовых, где происходит симбиоз с азотфиксирующими бактериями Rhizobia). Эти сайты не найдены в корнях или других тканях, что указывает на их связь с конкретной функцией клубеньков.
3. Связь с эпигенетикой: Ученые считают, что «эпигенетические» изменения, такие как модификации гистонов, регулирующие плотность упаковки хроматина, работают рука об руку с альтернативными сайтами инициации транскрипции. Разные сайты могут становиться доступными по мере «затягивания» или «ослабления» гена.
4. Эволюционный аспект: «Мы обнаружили почти 7000 генов с альтернативной инициацией транскрипции в пределах кодирующих последовательностей. Эти сайты, как правило, тканеспецифичны и связаны с модификациями гистонов», — сказал Ма. Альтернативные сайты могли дать сое эволюционное преимущество, увеличив сложность и адаптивность при ограниченном размере генома, особенно после двух событий дупликации всего генома в ее истории.

Практическое значение и доступность данных

Цзяньсинь Ма сотрудничает с учеными из USDA Agricultural Research Service Рексом Нельсоном и Жаклин Кэмпбелл, чтобы сделать данные исследования общедоступными через базу данных SoyBase.

• Рекс Нельсон: «Наличие даже потенциального сайта начала транскрипции поможет в анализе промоторных областей генов сои. Это может пролить свет на белки, которые взаимодействуют с промоторами и индуцируют транскрипцию».
• Жаклин Кэмпбелл: «Идентификация транскрипционных факторов, связывающихся с промоторными областями, позволит исследователям выявлять сети регуляторных взаимодействий, участвующих в сложной регуляции генов, важных для агрономических признаков».

«База данных служит важным ресурсом как для фундаментальных, так и для прикладных исследований... По мере того как мы лучше понимаем, как эти альтернативные сайты транскрипции влияют на определенные признаки, мы надеемся, что это приведет к созданию лучших сортов сои», — заключил Ма.