МикроРНК в растениях: Регуляция регулятора

МикроРНК — ключевые регуляторы генетической программы у многоклеточных организмов. Из-за их мощного действия собственное производство этих малых регуляторов также должно строго контролироваться. Это ключевой вывод нового исследования учёных из Тюбингена в Институте биологии развития Общества Макса Планка. Они идентифицировали новый компонент, модулирующий производство микроРНК у резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), путём удаления фосфатных остатков с фермента биогенеза микроРНК. Этот процесс может быть быстрым, как щелчок выключателя, позволяя растению адаптироваться к меняющимся условиям. В работе учёные сочетали передовую визуализацию для лёгкого обнаружения растений с дефектной активностью микроРНК с полногеномным секвенированием для быстрой идентификации новых мутаций.

Клетка, кажется, сама себе противоречит: при считывании ДНК в ядре производится мобильная матричная РНК (мРНК), которая экспортируется в цитоплазму и служит чертежом для производства белков. Одновременно клетка способна производить микроРНК, которые, связываясь со специфическими мРНК, могут блокировать производство белка или даже инициировать его разрушение. Зачем клетка запускает затратный процесс и тут же его останавливает? Ответ — в тонком балансе, который клетке необходимо достичь между производством белка и избеганием его избытка. Достижение нужного уровня белка и его адекватное временное и пространственное распределение иногда требует противоположных сил. Как объясняет первый автор работы Пабло Манавелла, постдок в отделе Детлефа Вайгеля, «если требуется быстрая остановка, регуляторные механизмы, такие как микроРНК, смогут приостановить процесс». Исследование проводилось совместно с учёными из Центра молекулярной биологии растений (ZMBP) и Протеомного центра Тюбингенского университета.

Производство микроРНК из их предшественников уже было детально изучено, особенно в животных клетках. Однако микроРНК растений эволюционировали параллельно и независимо, поэтому можно было предположить, что их процессинг может происходить иначе.

Учёные использовали методический трюк для изучения активности микроРНК в клетках растений резуховидки. Сначала они разработали репортёрную систему на основе биолюминесцентного белка люциферазы светлячка, ДНК которого была интегрирована в растительные клетки. Затем в геном растения вставили фрагмент ДНК, содержащий предшественник искусственной микроРНК, специфично ингибирующей люциферазу. Такие растения изначально не излучали свет, несмотря на наличие генов люциферазы. В массовом эксперименте учёные вызвали неспецифические мутации у тысяч растений. С помощью специальной высокочувствительной камеры были отобраны немногочисленные светящиеся растения. У всех этих особей какая-то часть пути микроРНК должна была быть повреждена, так что люцифераза больше не заглушалась искусственной микроРНК.

Для идентификации генов, ответственных за сбой в сайленсинге люциферазы, учёные использовали новую технологию, разработанную в Институте Макса Планка, которая позволяет быстро обнаруживать причинные мутации с помощью анализа полногеномной последовательности. Благодаря сочетанию скрининга на активность люциферазы с полногеномным секвенированием срок исследования удалось сократить с лет до нескольких месяцев. Среди полученных мутантов учёные идентифицировали фосфатазу CPL1 как ключевой компонент пути биогенеза микроРНК. Этот белок модулирует производство этих молекул, удаляя фосфатные остатки с HYL1 — одного из главных кофакторов в этом пути, что нарушает производство микроРНК. После производства эти микроРНК связываются с соответствующими мРНК, останавливая синтез белка.

«Мы идентифицировали один фактор, способный регулировать активность самих регуляторов», — резюмирует Пабло Манавелла. МикроРНК представляют собой лишь один из многих механизмов генетической регуляции, однако, подобно переключателю, они обеспечивают быстрые и эффективные ответы на меняющиеся требования, например, во многих процессах развития. В целом микроРНК у растений гораздо более специфичны, чем у животных. Растения не могут убежать от стрессовых условий, поэтому им нужны быстрые способы регуляции своих генов для адаптации к таким ситуациям.