Маловероятные пары ДНК-элементов и регуляторных белков определяют судьбу мелких растительных стволовых клеток, превращающихся в устьица

Исследователи из Университета Нагои (Япония), Техасского университета в Остине и Вашингтонского университета выяснили механизм, благодаря которому крошечные растительные стволовые клетки развиваются в устьица — клеточные "клапаны" растений, играющие ключевую роль в глобальных циклах углерода.

Устьице (stoma, мн.ч. stomata) — это пара замыкающих клеток, окружающих пору для эффективного газообмена (CO₂ и O₂). Они также регулируют испарение воды. В развивающемся листе двудольных растений, включая модельное растение Arabidopsis, продолжают появляться стволовые клетки для устьиц, каждая из которых в итоге становится замыкающей клеткой устьица.

Известно, что мастер-регуляторами этого процесса являются транскрипционные факторы SPEECHLESS и MUTE — два "сестринских" белка, которые последовательно инициируют и завершают состояние стволовой клетки устьица. Однако оставалось неясным, как эти регуляторы взаимодействуют с состоянием генома клетки, чтобы изменить её судьбу.

В статье, опубликованной в Science Advances 15 декабря 2022 года, учёные представили полногеномный атлас состояния генома (известного как доступность хроматина) во время развития устьиц. Транскрипционные факторы могут связываться с "открытыми регионами хроматина", где происходит экспрессия генов.

С помощью метода ATAC-секвенирования (genome-wide profiling of accessible chromatins) было обнаружено, что масштабное репрограммирование происходит на этапе перехода от пролиферации стволовых клеток к их дифференцировке. Также были выявлены два высокообогащённых ДНК-кода (цис-регуляторных элемента) в ранней линии устьиц:

• E-box — сайт связывания транскрипционных факторов семейства bHLH.
• GAGA-повторы — сайт связывания растительных транскрипционных факторов BPC.

SPEECHLESS и MUTE относятся к bHLH-белкам и связываются с E-box. Далее было обнаружено, что только MUTE (но не SPEECHLESS) прочно связывается с белками BPC, которые, в свою очередь, связываются с GAGA-повторами.

Ранее было показано, что BPC рекрутируют ферменты, которые "ставят метки" репрессии на хроматин. Данное исследование раскрыло, что во время дифференцировки стволовых клеток MUTE связывается с BPC, что приводит к привлечению модификаторов хроматина. Это создаёт репрессивную хроматиновую среду, "фиксируя" геномное состояние клетки на пути к дифференцировке.

"Мы очень удивлены и взволнованы, — сказала профессор Кейко Тории, старший автор работы. — Наше полногеномное исследование доступности хроматина объясняет, почему растения используют сестринские мастер-регуляторы SPEECHLESS и MUTE. У них схожие, но противоположные роли — один инициирует и поддерживает, а другой завершает состояние стволовой клетки устьица. Теперь мы знаем, что только один из них — MUTE — может привлекать BPC для изменения состояния хроматина. Это означает, что два разных класса транскрипционных факторов и два разных класса ДНК-элементов работают вместе, чтобы зафиксировать судьбу растительной клетки".