Новые функции «мусорной» ДНК?

ДНК кодирует генетические инструкции для производства белков. Линейная последовательность оснований A, T, C, G в кодирующей ДНК определяет, какой белок будет синтезирован геном. Однако во многих организмах в клетке присутствует гораздо больше ДНК, чем необходимо для кодирования белков. Эту некодирующую ДНК часто называли «мусорной», так как её функция была непонятна.

Сейчас известно, что некодирующая ДНК может выполнять важные функции, не связанные с кодированием белков. Многие такие последовательности производят РНК-молекулы, регулирующие экспрессию генов (включая и выключая их). Данные проекта ENCODE указывают, что большая часть некодирующей ДНК (составляющей около 95% генома человека) участвует в регуляции генов.

Чтобы понять значение большого объёма некодирующей ДНК у растений, Диана Бёрджесс и Майкл Фрилинг из Калифорнийского университета в Беркли идентифицировали многочисленные консервативные некодирующие последовательности (CNS). Эти последовательности ДНК обнаружены у широкого спектра видов растений, включая рис, банан и какао. Высококонсервативные последовательности (идентичные или почти идентичные у разных организмов), вероятно, выполняют важные функции в базовых биологических процессах.

Для выявления наиболее консервативных растительных CNS исследователи сравнили геном модельного растения Arabidopsis (семейство капустных) с геномом водосбора (семейство лютиковых) — эволюционно далёкого растения. Эти виды разошлись более 130 миллионов лет назад. Последовательности, общие для них, вероятно, функционально важны, иначе они были бы утрачены из-за случайных мутаций.

Было обнаружено более 200 CNS, общих для этих далёких видов. Из них 59 CNS также найдены у однодольных растений (ещё более эволюционно далёких), они были названы глубокими CNS. 51 из этих последовательностей, судя по всему, присутствует у всех цветковых растений, на основе их обнаружения у Amborella — растения, отделившегося от остальных цветковых ещё до разделения на однодольные и двудольные.

Функция глубоких CNS была исследована через анализ генов, с которыми они ассоциированы. Почти все глубокие CNS связаны с генами, участвующими в базовых и универсальных биологических процессах цветковых растений:

Кроме того, показано, что эти CNS обогащены сайтами связывания для транскрипционных факторов. Учёные предполагают, что функция части этой некодирующей ДНК — служить каркасом для организации аппарата экспрессии генов. Обнаруженные сайты связывания — известные последовательности, необходимые для ответа на биотический и абиотический стресс, свет и гормоны у других растений.

Также было обнаружено, что ряд CNS могут продуцировать РНК с обширными двуцепочечными участками, которые участвуют в стабильности, деградации РНК и регуляции экспрессии генов. 12 из 59 наиболее консервативных CNS ассоциированы с генами, белковые продукты которых взаимодействуют с РНК. Очевидно, что эти последовательности ДНК — не просто «мусор».

Идентификация наиболее высококонсервативных некодирующих последовательностей у цветковых растений даёт будущим исследователям чёткие цели для функциональных исследований:

  • Связываются ли предсказанные сайты для транскрипционных факторов с известными или новыми факторами?
  • Организуют или регулируют ли CNS аппарат экспрессии генов?
  • Кодируют ли CNS регуляторные РНК, управляющие фундаментальными процессами у растений?

Ответы на эти вопросы будет найти проще, имея набор глубоких CNS, которые, вероятно, играют ключевую роль в базовых клеточных процессах растений.

2014-03-31