Первый "пионерный" фактор транскрипции обнаружен у растений: он позволяет клеткам менять свою судьбу

Клетки не экспрессируют все свои гены постоянно. Например, гены, отвечающие за цвет глаз, не нужно включать в клетках печени. У растений гены, кодирующие структуру цветка, могут быть выключены в клетках, которым суждено стать листом.

Эти ненужные гены удерживаются в неактивном состоянии, будучи упакованными в плотный хроматин — туго свернутый пучок генетического материала, переплетенный с белками.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, биологи из Пенсильванского университета идентифицировали белок, который позволяет растительным клеткам получать доступ к этим иначе недосягаемым генам, чтобы переключаться между разными идентичностями. Этот белок, называемый "пионерным фактором транскрипции", — LEAFY. Он закрепляется в определенных участках пучка хроматина, ослабляя его структуру и рекрутируя другие белки, что в конечном итоге позволяет генам сначала транскрибироваться в РНК, а затем транслироваться в белки.

"Программы, которые не нужны в данной клетке, ткани или условиях, эффективно отключаются различными модификациями хроматина, делающими их очень недоступными, — говорит биолог Дорис Вагнер, старший автор работы. — Всегда стоял вопрос: как перейти от состояния "выключено" к "включено"? Мы обнаружили, что LEAFY, белок, о котором мы уже знали, что он важен для перепрограммирования растительных клеток, является одним из таких пионерных факторов транскрипции, которые, образно говоря, "проталкивают дверь", чтобы изменить программу клеток".

Пионерные факторы транскрипции были впервые охарактеризованы сотрудником Пенна Кеннетом Заретом. Его работа была посвящена этим регуляторным белкам у животных, например, в контексте развития печени. Услышав его доклад, Вагнер заинтересовалась поиском подобных факторов у растений, учитывая, что гибкая экспрессия генов критически важна для их выживания.

Действительно, растения постоянно должны переключаться между экспрессией целых наборов разных генов. В богатой почве они могут отращивать больше ветвей, чтобы стать крупнее, а во время засухи — экспрессировать больше генов, связанных с развитием цветков, чтобы успеть дать семена и размножиться.

Изучение того, как растительные клетки определяют свою идентичность и судьбу, было в фокусе работы Вагнер с начала ее карьеры, как и белок LEAFY. Еще в постдокторантуре она показала, что LEAFY может перепрограммировать клетки корня на производство цветков. "Это дало нам хорошую подсказку, что LEAFY может обладать такой "пионерной" активностью, но чтобы доказать это, нужно было присмотреться внимательнее", — говорит она.

Для этого Вагнер и коллеги сначала использовали изолированный белок и нити генетического материала, чтобы показать, что LEAFY (в отличие от других факторов транскрипции) связывается с нуклеосомами — субъединицами хроматина, где ДНК наматывается на кластер белков-гистонов. Связывание происходило именно с геном AP1, который, как известно, активируется LEAFY для запуска образования цветков.

Чтобы подтвердить, что эта связь существует в живом организме, исследователи взяли корни растений и применили соединение, вызывающее их спонтанное цветение. Они обнаружили, что при цветении LEAFY не только сильно связывается с AP1, но и что сайт связывания также занят гистоном. "Это говорит нам о том, что гистоны и LEAFY действительно занимают один и тот же участок ДНК", — поясняет Вагнер.

Кроме того, они показали, что структура хроматина начинала открываться в области AP1 при активации LEAFY, что является ключевой особенностью пионерных факторов транскрипции. Это открытие было ограниченным, а полное ослабление хроматина заняло дни. Однако быстро, как обнаружили исследователи, LEAFY вытеснял линкерный гистоновый белок, создавая небольшое локальное открытие, которое также позволяло другим факторам транскрипции проникать в ДНК.

Хотя существование пионерных факторов транскрипции у растений предполагалось ранее, новая работа впервые предоставляет конкретные доказательства этого для LEAFY. И Вагнер считает, что их больше. "При необходимости растения могут изменить весь план строения тела или вырастить целое растение из маленького кусочка листа, — говорит она. — Мы предполагаем, что для запуска этого процесса потребуются пионерные факторы транскрипции. Поэтому у растений их может быть даже больше, чем у животных".

В дальнейшей работе она и ее команда надеются глубже изучить процессы, предшествующие и следующие за этой "пионерной" активностью LEAFY: что ограничивает его активность и как другие рекрутируемые им факторы полностью распаковывают спрятанные гены? "Было бы здорово выяснить обе стороны этого уравнения", — говорит Вагнер.

Результаты имеют значение для сельского хозяйства и селекции, где LEAFY уже манипулируют, например, для стимулирования более раннего цветения. И по мере того, как о пионерных факторах транскрипции у растений будет становиться известно больше, Вагнер представляет возможность тонкой настройки других аспектов роста и активности растений. Это можно использовать для помощи сельскохозяйственным культурам в адаптации к новым условиям окружающей среды, таким как те, что наступают с изменением климата.