Ученые раскрыли молекулярный механизм, контролирующий рост и развитие растений

Совместное исследование, опубликованное в Cell командами под руководством Микеля Колла из Института биомедицинских исследований (IRB Barcelona) и Института молекулярной биологии CSIC (оба в Барселоне), и Дольфа Вейерса из Университета Вагенингена (Нидерланды), раскрывает загадку того, как растительные гормоны ауксины активируют множество жизненно важных функций через различные факторы транскрипции генов.

Ауксины — это растительные гормоны, контролирующие рост и развитие, то есть определяющие размер и структуру растения. Среди их многочисленных функций — стимуляция роста клеток, инициация корней, цветение, завязывание плодов и задержка созревания. Ауксины имеют практическое применение в сельском хозяйстве для производства бессемянных плодов, предотвращения опадения завязей и стимулирования укоренения, а также используются как гербициды. Также исследуются их биомедицинские применения в качестве противоопухолевых агентов и для облегчения репрограммирования соматических клеток в стволовые.

Эффекты ауксинов в растениях впервые наблюдал Дарвин в 1881 году, и с тех пор этот гормон был в центре многих исследований. Однако, хотя было известно, как и где синтезируется ауксин, как он транспортируется и на какие рецепторы действует, оставалось неясным, как один гормон может запускать такие разнообразные процессы.

На молекулярном уровне гормон служит для разблокировки фактора транскрипции — ДНК-связывающего белка, который, в свою очередь, активирует или подавляет определенную группу генов. Некоторые растения имеют более 20 различных регулируемых ауксином факторов транскрипции. Они называются ARF (Auxin Response Factors) и контролируют экспрессию многочисленных генов в зависимости от задачи: рост клеток, цветение, инициация корней, рост листьев и т.д.

Используя синхротрон ALBA (близ Барселоны) и Европейский центр синхротронного излучения (ESRF, Гренобль), структурный биолог доктор Микель Колл и его команда проанализировали способ связывания с ДНК, используемый различными ARF. Для этого ученые приготовили кристаллы комплексов ДНК и белков ARF, полученных командой Дольфа Вейерса в Вагенингене, а затем облучили кристаллы высокоинтенсивными рентгеновскими лучами на синхротроне, чтобы определить их атомную структуру. Расшифровка пяти 3D-структур показала, почему данный фактор транскрипции способен активировать только один набор генов, в то время как другие, очень похожие ARF с незначительными отличиями, запускают другой набор.

«Каждый ARF распознает и адаптируется к определенной последовательности ДНК через два связывающих «плеча» или мотива бочкообразной формы, и эта адаптация отличается для каждого ARF», — объясняет Роэланд Боер, постдокторант в группе Микеля Колла в IRB Barcelona и один из первых авторов исследования.

Такой способ связывания ARF с ДНК никогда не описывался у бактерий или животных. «Похоже, он является исключительной особенностью растений, но мы не можем исключить его наличие в других царствах. Наше открытие очень важно, потому что мы раскрыли конечный эффект гормона, контролирующего развитие растения, на ДНК, то есть на гены», — говорит Микель Колл.