Как «эволюционная площадка» объединяет гены растений

Растения производят огромное множество природных соединений, многие из которых полезны для создания лекарств. Вероятно, существует ещё много неоткрытых или недооценённых растительных продуктов. Исследование из Центра Джона Иннеса, финансируемого Советом по биотехнологическим и биологическим исследованиям (BBSRC), раскрывает больше о генетике и эволюции путей биосинтеза этих соединений.

Учёные недавно обнаружили, что гены, производящие два таких соединения у модельного растения Arabidopsis, сгруппированы вместе, что крайне редко для растений. Кажущаяся «эволюционная площадка» в геноме растения, по-видимому, собрала эти гены вместе. Понимание того, как формируются и контролируются такие кластеры, важно для улучшения и использования производства новых природных соединений.

Генные кластеры распространены у бактерий, где гены, необходимые для выполнения конкретной задачи (например, производства антибиотика), сгруппированы в опероны. Однако у растений и животных функционально связанные гены обычно разбросаны по всему геному. Профессор Энн Осборн из Центра Джона Иннеса, изучая природное антимикробное соединение овса, обнаружила, что гены, производящие это соединение, на самом деле кластеризованы. Её группа использовала «сигнатуру» такого расположения генов для поиска других потенциальных кластеров у Arabidopsis.

Публикуясь в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, профессор Осборн и её коллеги из Стэнфордского университета и французского INRA обнаружили второй из двух генных кластеров, оба производящих тритерпеновые соединения. Это позволяет искать общие черты таких кластеров, давая новое представление об их эволюции.

Бактериальные опероны относительно легко передаются между видами, но кластеры Arabidopsis попали в геном растения не этим путём. Оба кластера находятся в «динамичных» областях генома, значительно обогащённых транспозонами. Эти области действуют как «эволюционные площадки», где рекомбинации происходят чаще, объединяя разные гены. Когда кластеры производят соединения, полезные для растения (например, для борьбы с вредителями), естественный отбор благоприятствует их сохранению.

Критически важно, что в обоих тритерпеновых кластерах, найденных группой, кластер должен сохраняться целиком. Потеря одной его части приводит к накоплению токсичных промежуточных продуктов. Это создаёт эволюционное давление для сохранения кластера как единого целого, увеличивая шансы совместного наследования всех генов.

Кластеризация также позволяет координированно регулировать гены. Сравнение кластеров дало учёным подсказки, как это может происходить. Оба кластера демонстрируют признаки регуляции через упаковку ДНК в хроматин, в отличие от соседних генов вне кластеров. Более того, похоже, что такой уровень координированной экспрессии генов был приобретён кластером уже после его сборки.

Эти представления об эволюции и функции генных кластеров особенно ценны для усилий по полному использованию потенциала растений для производства ценных продуктов. Растущий объём данных проектов по секвенированию геномов можно исследовать для поиска похожих кластеров. Для уже открытых генов эта информация о кластеризации поможет в использовании синтетической биологии для оптимизации производства новых лекарств, гербицидов и других растительных продуктов.