Раскрытие тайн метилирования у растений
Для многоклеточных организмов, включая растения, рост — сложный процесс. За дни или недели от семени до ростка и взрослого растения сотни генов экспрессируются в разных местах и в разное время.
Чтобы управлять этой симфонией генов, растения частично полагаются на элегантный регуляторный метод — метилирование ДНК. Добавляя или удаляя небольшие молекулы (метильные группы) с цепочки ДНК, растение может "заглушить" или активировать различные участки генетического кода, не меняя саму последовательность.
В новой статье из лаборатории Мэри Геринг (Whitehead Institute) исследователи под руководством бывшего постдока Бена Уильямса (ныне — доцент Калифорнийского университета в Беркли) выяснили роль белков, управляющих этой системой генетического контроля. Они показали, как ферменты, регулирующие метилирование, влияют на важные решения растений, например, когда цвести. "Мы начинаем видеть, что деметилирование играет в развитии растений более широкую роль, чем мы думали", — сказала Геринг.
У модельного растения Arabidopsis thaliana метилирование частично регулируется ферментами, кодируемыми семейством из четырёх генов — DEMETER. Белковые продукты этих генов отвечают за деметилирование, то есть удаление метильных групп с ДНК, позволяя экспрессироваться разным её участкам. "Эти ферменты могут полностью изменить способ считывания ДНК в разных клетках, что я нахожу невероятно интересным", — сказал Уильямс.
Однако раньше было сложно выяснить роль каждого гена DEMETER, потому что один из них, DME, критически важен для развития семени. Его "нокаут" приводит к абортации семени. "Нам пришлось создать синтетический ген, чтобы обойти это, — сказал Уильямс. — Мы создали растения, которые компенсировали репродуктивный сбой, но при этом оставались мутантными на протяжении всего остального жизненного цикла".
Исследователи добились этого, поместив ген DME под контроль промотора, который обеспечивал его экспрессию только в клетках, существующих у растения во время развития семени. После прохождения критической точки, когда DME был больше не нужен, ген переставал экспрессироваться, позволяя растению вырасти как dme-нокаут. "Было очень здорово наконец создать этот нокаут", — сказала Геринг.
Впервые исследователи смогли создать растения с любой комбинацией нокаутированных генов семейства DEMETER и сравнить их, чтобы понять функцию ферментов, производимых каждым из четырёх генов.
Как и ожидалось, у растений, лишённых любого из деметилаз DEMETER, в геноме появлялись участки со слишком большим количеством метильных групп (гиперметилирование). Эти участки часто перекрывались, что указывало на совместную ответственность четырёх генов DEMETER за деметилирование определённых областей генома.
"Когда одного из этих ферментов нет, другие удивительно хорошо понимают, что им нужно выступить вперёд и выполнить работу вместо него, — сказал Уильямс. — Таким образом, в систему заложена гибкость, что логично, если она участвует в принятии важных решений, например, когда цвести. Вы же хотите, чтобы ответственность была распределена? Это как в организации: вы не хотите возлагать всю ответственность на одного человека — вам нужно несколько людей, которые могут её взять на себя".
Уильямс предполагает, что, хотя ферменты DEMETER могли подменять друг друга при необходимости, каждый специализировался на деметилировании ДНК в определённых типах тканей растения. "Если посмотреть на белковые последовательности, они на самом деле очень похожи, — сказал он. — Их отличие в том, что они экспрессируются в разных типах клеток".
Ключевое открытие исследования произошло, когда исследователи одновременно "нокаутировали" все четыре гена семейства DEMETER. "Все цветковые растения сталкиваются с очень важным решением о том, когда цвести, — сказал Уильямс. — Для диких растений это решение обычно зависит от температуры и опылителей. Что показалось нам действительно странным, так это то, что эти мутанты зацветали сразу. Это почти как будто они даже не пытались принять решение. Они выпускали несколько листьев, а потом — бац, цветок".
Когда исследователи углубились, они увидели, что один конкретный участок генома, контролирующий время цветения, находится под очень тщательным и непрерывным контролем со стороны метилирующих и деметилирующих ферментов. "Мы не знаем точно, почему они это делают, — сказал он. — Но когда вы "нокаутируете" деметилазы, этот ген просто метилируется и "выключается". И это переводит растения в автоматический режим цветения".
В будущем исследователи планируют изучить другие последствия "четверного нокаута" генов DEMETER. "Когда мы "нокаутировали" все четыре фермента, это привело ко множеству интересных фенотипов и тоннам материала для изучения, — сказал Уильямс. — Мы поняли, что с DEMETER, как и со многими семействами генов, нам пришлось "нокаутировать" всех игроков, чтобы понять важность того, что они делают".
Геринг продолжит исследования в Whitehead Institute. Уильямс недавно основал собственную лабораторию в Калифорнийском университете в Беркли. "Мне очень повезло, потому что этот проект открыл мне два или три разных направления, которые я могу развивать в своей новой лаборатории, — сказал Уильямс. — Он открыл много дверей, и это очень приятно".