Обнаружение редкого эпигенетического маркера ДНК у растений бросает вызов прежним представлениям

Исследователи под руководством Сяоци Фэн из Института науки и технологий Австрии (ISTA) обнаружили, что эпигенетический маркер N4-метилцитозин (4mC), ранее считавшийся существующим только у микробов, играет ключевую роль в развитии и созревании сперматозоидов у печёночника Marchantia polymorpha — важного организма в эволюции растений.

Результаты опубликованы в журнале Cell.

Роль древнего растения

Marchantia polymorpha — один из древнейших существующих видов растений, родственник мхов. Он сохранил архаичную форму размножения: сперматозоиды высвобождаются в капли дождя и плывут для оплодотворения соседних женских растений.

Открытие маркера 4mC за пределами микробов

4mC — один из трёх известных эпигенетических маркеров ДНК (наряду с 5mC и 6mA), представляющий собой химическую модификацию нуклеотида цитозина. Ранее он был описан только как форма иммунитета у бактерий.

В ходе исследования сперматогенеза Marchantia команда выявила две волны обширного метилирования ДНК:

1. Первая волна — известный маркер 5mC, который подавляет активность "прыгающих генов".
2. Вторая волна затрагивала динуклеотиды CG по всему геному и не могла быть объяснена действием 5mC.

Используя множество количественных методов, учёные доказали, что причиной второй волны является именно 4mC.

"Безумные" уровни и важная функция

Исследователи обнаружили, что 4mC отвечает за ошеломляющие 15% метилированных цитозинов в зрелых сперматозоидах Marchantia (для сравнения: у бактерий — менее 1%).

Этот высокий уровень 4mC оказался критически важным для функции сперматозоидов:

• Без 4mC их подвижность становится медленнее и менее направленной.
• Резко снижается фертильность.
• Даже в случае успешного оплодотворения нарушается раннее развитие зародыша.

Происхождение через горизонтальный перенос генов

Появление 4mC у Marchantia, вероятно, является результатом горизонтального переноса генов (HGT) от почвенных бактерий к растениям — явления, которое способствовало переходу растений к наземному образу жизни.

"Это могло быть одним из импровизированных событий в природе, которое ускорило эволюцию. Горизонтальный перенос генетического материала от бактерий к Marchantia оказался для растений полезным, поэтому признак сохранился и был закреплён отбором", — объясняет Сяоци Фэн.

Будущие перспективы

На сегодняшний день печёночники — единственная группа растений, где 4mC был достоверно обнаружен. Однако авторы предполагают, что этот маркер может присутствовать и у других организмов в определённые окна развития, например, во время масштабной эпигенетической перепрограммировки на ранних стадиях развития млекопитающих.

Изучение точной функции модификации 4mC открывает перспективы для биотехнологии, потенциально позволяя использовать этот механизм для эпигенетического редактирования генома без изменения самой последовательности ДНК.