Альтернативный механизм контроля генов на основе организации ДНК внутри ядра

Исследователи из Токийского университета определили, как архитектура клеточного ядра может изменять активность генов у растений. Это открытие раскрывает фундаментальные знания о регуляции генома и указывает на будущие методы потенциального манипулирования экспрессией многих генов одновременно.

Длинные нити ДНК и белковый механизм, необходимый для включения или выключения экспрессии генов, содержатся, плавая внутри ядер клеток. Ядро — это, по сути, мешок, сделанный из гибкой двойной мембранной оболочки, которая поддерживается внутренней мелкосетчатой структурой из белков, называемой ядерной ламиной.

"ДНК не дрейфует бесцельно внутри ядра. Мы предполагаем, что существует неслучайное пространственное позиционирование генов вокруг ядерной ламины", — сказал профессор Сачихиро Мацунага, руководивший исследовательским проектом, недавно опубликованным в Nature Communications.

Регуляция генов часто изучается на одномерном уровне чтения последовательности ДНК. Дополнительные уровни регуляции генов существуют в 3D за счет изменения формы нити ДНК. Примерами являются эпигенетический код, который диктует, насколько плотно скручивать нити ДНК, и феномен "целующихся генов", когда удаленные сегменты нити ДНК складываются вместе и изменяют активность генов, которые касаются друг друга.

Эти новые результаты свидетельствуют о другом 3D-методе регуляции генов, включающем не только архитектуру генома, но и архитектуру его контейнера — ядра.

Научному сообществу давно известно, что форма и размер ядра могут резко колебаться в течение жизни клетки и что эти изменения можно даже использовать как "внутренние часы" для определения возраста клетки. Однако эти открытия были сделаны на животных клетках. У растений нет генов, эволюционно родственных генам, ответственным за ядерную ламину у животных.

"В учебниках обычно есть несколько предложений о животной ламине, но ничего о растительной ламине", — сказал Мацунага.

Предыдущая работа 2013 года, проведенная некоторыми членами исследовательской группы, определила группу из четырех белков, известных как CROWDED NUCLEI (CRWN), как наиболее вероятные компоненты растительной ядерной ламины.

Чтобы подтвердить присутствие белков CRWN в ламине, исследователи сначала присоединили флуоресцентные метки к белкам и выделили ядра из клеток корней молодых растений резуховидки Таля (обычного сорняка, используемого в исследовательских лабораториях). Затем они измерили местоположение белков на изображениях сверхвысокого разрешения, полученных с помощью микроскопии.

Эти изображения с чрезвычайно большим увеличением показывают паутинообразные узоры, образованные белками CRWN вокруг оболочки ядра.

Здоровые растительные клетки имеют ядро овальной формы, похожее на большое яйцо в центре клетки. Растения, генетически модифицированные для отсутствия белков CRWN, имеют ядра, которые меньше и круглее, чем обычно, что, вероятно, создает более тесную среду для ДНК внутри.

Затем исследователи провели скрининг генетически модифицированных растений, чтобы увидеть, изменилась ли активность других генов при подавлении генов crwn. Несколько генов, известных своим участием в реакции на медь, были менее активны, что указывает на то, что ядерная ламина каким-то образом связана с толерантностью к меди.

Растения, лишенные белков CRWN, растут ниже здоровых растений даже в нормальной почве. Резуховидка Таля с неактивными генами crwn, посаженная в почву с высоким содержанием меди, росла еще меньше и имела значительно более слабый вид, что является дополнительным доказательством роли ядерной ламины в реакции растений на стресс окружающей среды.

Исследователи также визуализировали физическое расположение генов толерантности к меди внутри ядра как в нормальных условиях, так и при высоком содержании меди. У здоровых растений в условиях высокого содержания меди гены толерантности к меди группировались вместе и перемещались еще ближе к периферии ядра. Гены толерантности к меди, по-видимому, распространялись и дрейфовали вокруг ядер у растений с неактивными генами crwn.

"Если растительное ядро имеет определенные области для активной транскрипции ДНК, вероятно, что эти области будут находиться рядом с ядерной ламиной. Это важно и интересно, потому что противоположно животным клеткам, у которых, как мы знаем, активные области находятся в центре ядер, в то время как периферия неактивна", — сказал Мацунага.

Большинство технологий редактирования генов для увеличения или уменьшения активности генов работают непосредственно на одномерном уровне, изменяя последовательность ДНК отдельного гена. Понимание того, как ядерная ламина влияет на экспрессию генов, может раскрыть будущие методы изменения активности многих генов одновременно путем изменения формы генома и ядерной ламины.