Растения ограничивают использование корректирующих «белков-корректоров»
Растения обладают специальными корректирующими молекулами, способными вносить исправления в копии генов задним числом. Однако эти «белки-корректоры» работают не во всех частях клетки, а только в хлоропластах и митохондриях.
Исследование Боннского университета объяснило причину этого ограничения. Оказалось, что в противном случае механизм коррекции стал бы изменять и абсолютно нормальные копии генов, что имело бы фатальные последствия для клетки. Результаты опубликованы в The Plant Journal.
Хлоропласты и митохондрии — уникальные органеллы, имеющие собственный генетический материал. Однако гены в них часто содержат дефекты, поэтому их копии (мРНК) необходимо корректировать, иначе белки, собранные по таким инструкциям, не будут работать.
Для этого растения используют особые молекулы из группы пентатрикопептидных повторов (PPR-белки), действующие как корректорская жидкость. У растений есть от дюжины до нескольких тысяч таких специфичных PPR-белков, каждый из которых исправляет определённый дефект.
Эти белки синтезируются не в органеллах, а в цитозоле — основном содержимом клетки, где также находится множество копий генов из ядра. Теоретически PPR-белки могли бы корректировать и их, но этого не происходит.
Перегрузка транспортного механизма
Чтобы проверить гипотезу о слишком быстром транспорте PPR-белков в органеллы, исследователи ввели в геном мха Physcomitrium молекулярный переключатель. Это позволило по команде заставить клетки производить огромное количество PPR-белков.
Эксперимент показал, что это перегружает транспортный механизм, и PPR-белки накапливаются в цитозоле. Оказавшись там, они начали модифицировать копии генов из ядра.
Анализ выявил, что белки изменили огромное количество изначально правильных инструкций. Такие ошибочные вмешательства контрпродуктивны, так как могут нарушить функции белков.
Причина ошибок и защитный механизм
Проблема в том, что PPR-белки связываются не только с дефектными последовательностями, но и с офф-таргетными (off-target) — участками, которые выглядят как дефектные, но на самом деле в норме.
В цитозоле, где находятся копии десятков тысяч генов, риск такой ошибочной коррекции чрезвычайно высок.
Чтобы этого избежать, растения строго регулируют производство PPR-белков, поддерживая их количество на относительно низком уровне. Белки быстро транспортируются в органеллы, не успевая навредить в цитозоле. Поскольку число генов (и их копий) в хлоропластах и митохондриях невелико, там подобные ошибки, как правило, не происходят.
Исследование даёт новое понимание того, как корректирующие белки распознают свои мишени. В будущем это может позволить целенаправленно модифицировать определённые копии генов в митохондриях и хлоропластах для изучения эффектов таких изменений.
Учитывая ключевую роль этих органелл в энергетическом метаболизме растений, открываются интересные возможности для практического применения.