Как растения передают генетическую память

При передаче генов потомству организмы включают не только код, записанный в ДНК. Некоторые также передают химические маркеры, которые инструктируют клетки, как использовать этот код. Передача этих маркеров будущим поколениям известна как эпигенетическое наследование. Оно особенно распространено у растений, поэтому важные открытия в этой области могут иметь значение для сельского хозяйства, продовольственных запасов и экологии.

Профессора Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (CSHL) и исследователи HHMI Роб Мартинссен и Лиемор Джошуа-Тор изучали, как растения передают маркеры, которые удерживают транспозоны в неактивном состоянии. Транспозоны также известны как "прыгающие гены". Когда они активируются, они могут перемещаться и нарушать работу других генов. Чтобы "заглушить" их и защитить геном, клетки добавляют регуляторные метки к определённым участкам ДНК. Этот процесс называется метилированием. Исследование опубликовано в журнале Cell.

Теперь Мартинссен и Джошуа-Тор показали, как белок DDM1 прокладывает путь для фермента, который ставит эти метки на новые цепи ДНК. Растительным клеткам нужен DDM1, потому что их ДНК плотно упакована. Чтобы сохранить геном компактным и упорядоченным, клетки оборачивают ДНК вокруг упаковочных белков — гистонов. "Но это блокирует доступ к ДНК для всех видов важных ферментов", — объясняет Мартинссен. Перед метилированием "необходимо удалить или сдвинуть гистоны с пути".

Мартинссен и его бывший коллега из CSHL Эрик Ричардс впервые обнаружили DDM1 30 лет назад. С тех пор исследователи узнали, что он сдвигает ДНК вдоль её упаковочных белков, обнажая участки, нуждающиеся в метилировании. Мартинссен сравнивает это движение с йо-йо, скользящим по верёвке. Гистоны "могут двигаться вверх и вниз по ДНК, обнажая части ДНК, но никогда не отрываясь", — объясняет он.

С помощью генетических и биохимических экспериментов Мартинссен точно определил, какие именно гистоны вытесняет DDM1. Джошуа-Тор использовала криоэлектронную микроскопию, чтобы получить детальные изображения взаимодействия фермента с ДНК и ассоциированными упаковочными белками. Они смогли увидеть, как DDM1 захватывает определённые гистоны, чтобы ремоделировать упакованную ДНК. "Неожиданная связь, которая удерживает DDM1 вместе, оказалась соответствующей первой мутации, обнаруженной много лет назад", — говорит Джошуа-Тор.

Эксперименты также показали, как сродство DDM1 к определённым гистонам сохраняет эпигенетический контроль между поколениями. Команда продемонстрировала, что гистон, обнаруженный только в пыльце, устойчив к DDM1 и действует как заполнитель во время деления клетки. "Он запоминает, где находился гистон во время развития растения, и сохраняет эту память для следующего поколения", — говорит Мартинссен.

Возможно, растения не одиноки в этом. Люди также зависят от DDM1-подобных белков для поддержания метилирования ДНК. Новое открытие может помочь объяснить, как эти белки сохраняют функциональность и целостность наших геномов.