Гистоновая модификация H3K4me2 — ключевой регулятор адаптации микроводорослей к низкому уровню CO₂

Морские микроводоросли играют ключевую роль в углеродном цикле Земли, обеспечивая около половины глобальной первичной продукции и ежегодно связывая десятки гигатонн углерода. Чтобы выживать в морской воде с низкой концентрацией диоксида углерода (CO₂), они используют эффективные механизмы концентрирования CO₂ (CCMs). Ключевые регуляторы, запускающие эти механизмы, долгое время оставались неизвестными.

Исследователи из Института биоэнергетики и биопроцессов в Циндао (QIBEBT) Китайской академии наук идентифицировали специфическую модификацию гистонов как главный регулятор адаптации микроводорослей к среде с низким CO₂. Результаты опубликованы в журнале Plant Communications.

Ход исследования и ключевые открытия

• Объект и условия: Исследование проводилось на промышленно ценной микроводоросли Nannochloropsis oceanica. Её переводили из среды с 5% CO₂ в среду с 0.01% CO₂, имитируя естественные условия морской воды.
• Роль эпигенетики: Анализ с помощью многомерного эпигеномного секвенирования показал, что глобальное метилирование ДНК оставалось стабильным (0.13%), что исключило его как основной фактор ответа на низкий CO₂.
• Ключевой регулятор: Было обнаружено, что метилирование гистона H3K4, в частности H3K4me2, тесно связано с 43.1% генов, активируемых в условиях низкого CO₂. Эти гены критически важны для фотосинтеза и биогенеза рибосом.
• Механизм: H3K4me2 регулирует транскрипцию генов, изменяя доступность хроматина.

«Самым большим сюрпризом стало то, как модификация гистонов, в частности H3K4me2, нацелена на метаболические пути, критически важные для использования CO₂», — отметил профессор Гун Яньхай, соавтор работы.

Экспериментальное подтверждение

Для проверки роли H3K4me2 учёные использовали технологию CRISPR/Cas9, чтобы «выключить» ген NO24G02310, кодирующий H3K4-метилтрансферазу. В результате:

• Скорость роста модифицированных водорослей снизилась примерно на 22%.
• Биомасса уменьшилась на 15%.
• Уровень другой гистоновой модификации (H3K4me1) упал, а распределение H3K4me2 в геноме изменилось.

Это предоставило прямое доказательство центральной роли H3K4me2 в адаптации к низкому CO₂.

Практическое значение

Исследование выявило, что H3K4-модификация действует через два пути: регулирование ферментных сетей и модуляция трансмембранных pH-градиентов в хлоропластах. Оба механизма оптимизируют использование доступного CO₂.

Эти открытия создают основу для целенаправленного инжиниринга микроводорослей с целью повышения их способности к фиксации углерода. Это важно для решения двух глобальных задач: разработки устойчивых источников биоэнергии и смягчения последствий изменения климата за счёт усиленного связывания углерода.