Эксперименты раскрывают эпигенетические влияния, динамическое подавление и реактивацию генов у растений
Одно из самых увлекательных открытий в биологии — это наличие у клеток механизмов динамической регуляции генетической экспрессии. Эта способность активировать или подавлять транскрипцию конкретных генов, не меняя сами последовательности ДНК, необходима всем формам жизни — от одноклеточных организмов до самых сложных видов растений и животных.
Хотя понимание этих так называемых эпигенетических механизмов далеко от полного, в этой области был достигнут значительный прогресс, в частности, в понимании роли репрессивного комплекса Polycomb 2 (PRC2). PRC2 — это белок, который у многих растений связывается с определёнными последовательностями ДНК, называемыми элементами ответа Polycomb (PRE), и наносит химическую метку на близлежащие гистоны (структурную опору ДНК в ядре).
Эта химическая модификация, известная как «триметилирование H3K27 (H3K27me3)», предотвращает превращение близлежащих генов в РНК и, как следствие, в белки, эффективно их «заглушая». Однако учёные до сих пор не понимали, как гены, заглушённые PRC2, можно снова включить.
В исследовании, опубликованном в eLife, группа учёных из Научно-технологического института Нары (NAIST) в Японии попыталась найти ответ на эту загадку. Под руководством Нобутоси Ямагути команда провела обширные эксперименты на генетически модифицированных растениях Arabidopsis thaliana, раскрыв ключевые части сложного эпигенетического «оркестра», работающего внутри этих и многих других организмов.
Исследователи в основном сосредоточились на белке Set Domain-containing Protein 7 (SDG7), который, как известно, регулирует метилирование белков в цитозоле клетки (внутриклеточной жидкости). Предварительные эксперименты показали, что SDG7 также присутствует в клеточном ядре, что побудило команду к дальнейшему изучению.
После обширной серии анализов и измерений на мутантных культурах A. thaliana исследователи обнаружили новую роль SDG7. Оказалось, что этот белок также связывается с PRE, конкурируя с PRC2.
Более того, SDG7 может фактически вытеснять PRC2, не давая ему оставить метку H3K27me3. Кроме того, сам SDG7 добавляет активную гистоновую метку посредством метилирования H3K36.
После того как метилирование H3K36 установлено, белковая пара SDG8 и ассоциированный с полимеразой фактор 1 (PAF1) распространяют эту активную метку по телу гена, что приводит к эффективной активации гена.
Таким образом, сайты гистонов H3K27 и H3K36 можно интерпретировать как «переключатель», который может динамически включать и выключать экспрессию определённых генов.
«Этот простой и элегантный антагонистический молекулярный переключатель между метилированием H3K27 и H3K36 идеально подходит для эпигенетического репрограммирования во время развития растения», — говорит Ямагути.
«Поскольку переключение между метилированием H3K27 и H3K36 наблюдается у многих цветковых растений, конкурентный механизм между SDG и PRC2 на PRE может быть консервативным для многих видов растений, контролируя развитие».
Это исследование проливает свет на сложные эпигенетические механизмы, от которых могут зависеть бесчисленные виды растений и животных, потенциально прокладывая путь для будущих прорывов в сельском хозяйстве, садоводстве и растениеводстве.
«Мы считаем, что наши выводы будут представлять широкий общий интерес для биологов растений и эпигенетиков, учитывая повсеместную роль эпигенетической регуляции в экспрессии генов во время развития и ответа на окружающую среду», — заключает Ямагути.