Биологи обнаружили, как растения развили несколько способов переопределять генетические инструкции
Биологи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружили происхождение любопытной дупликации, которая дает растениям несколько способов переопределять инструкции, закодированные в их ДНК. Это исследование может помочь ученым использовать существующие системы растений для усиления признаков, повышающих устойчивость к изменениям окружающей среды, таким как жара или засуха.
Исследование под руководством профессора биологии Сюэхуа Чжун было опубликовано 6 ноября в Science Advances.
Новое исследование Чжун сосредоточено на метилировании ДНК — нормальном биологическом процессе в живых клетках, при котором к ДНК добавляются небольшие химические группы, называемые метильными группами. Эта активность контролирует, какие гены включаются и выключаются, что, в свою очередь, влияет на различные признаки, включая реакцию организмов на окружающую среду.
Часть этой работы включает сайленсинг (выключение) определенных фрагментов ДНК, которые перемещаются внутри генома организма. Эти так называемые прыгающие гены, или транспозоны, могут нанести вред, если их не контролировать. Весь процесс регулируется ферментами, но млекопитающие и растения развили разные ферменты для добавления метильных групп.
«Млекопитающие имеют только два основных фермента, которые добавляют метильные группы в одном контексте ДНК, но у растений на самом деле есть несколько ферментов, которые делают это в трех контекстах ДНК», — сказала Чжун. «В этом и заключается фокус нашего исследования. Вопрос в том — зачем растениям нужны дополнительные ферменты метилирования?»
В перспективе исследование Чжун может проложить путь к инновациям в сельском хозяйстве за счет повышения устойчивости культур. «Определенные гены или комбинации генов способствуют определенным признакам. Если мы точно выясним, как они регулируются, то сможем найти способ усовершенствовать наши технологии для улучшения сельскохозяйственных культур».
Эволюция различных функций
Новое исследование сосредоточено на двух ферментах, специфичных для растений: CMT3 и CMT2. Оба фермента отвечают за добавление метильных групп к ДНК, но CMT3 специализируется на участках ДНК, называемых последовательностями CHG, а CMT2 специализируется на других участках, называемых последовательностями CHH.
Несмотря на функциональные различия, оба фермента принадлежат к одному семейству хромометилаз (CMT), которое эволюционировало через события дупликации, предоставляющие растениям дополнительные копии генетической информации.
Используя распространенное модельное растение Arabidopsis thaliana (резуховидку Таля), Чжун и ее команда исследовали, как эти дублированные ферменты со временем развили разные функции. Они обнаружили, что где-то на эволюционной временной шкале CMT2 утратил способность метилировать последовательности CHG. Это произошло потому, что ему не хватает важной аминокислоты — аргинина.
«Аргинин особенный, потому что он имеет заряд», — сказала Джиа Гви, аспирант по биологии и соавтор исследования. «В клетке он положительно заряжен и, таким образом, может образовывать водородные связи или другие химические взаимодействия, например, с отрицательно заряженной ДНК».
Однако у CMT2 другая аминокислота — валин. «Валин не заряжен, поэтому он не способен распознавать контекст CHG, как это делает CMT3. Мы считаем, что это и объясняет различия между двумя ферментами», — сказала Гви.
Чтобы подтвердить это эволюционное изменение, лаборатория Чжун использовала мутацию, чтобы вернуть аргинин обратно в CMT2. Как и ожидалось, CMT2 смог выполнять как CHG, так и CHH метилирование. Это говорит о том, что CMT2 изначально был дубликатом CMT3, резервной системой, помогающей справляться с нагрузкой по мере усложнения ДНК.
«Но вместо того чтобы просто копировать исходную функцию, он развил что-то новое», — объяснила Чжун.
Это исследование также дало представление об уникальной структуре CMT2. Фермент имеет длинный гибкий N-конец, который контролирует стабильность его собственного белка. «Это один из способов, которым растения эволюционировали для обеспечения стабильности генома и борьбы со стрессами окружающей среды», — сказала Чжун. Эта особенность может объяснить, почему CMT2 эволюционировал у растений, растущих в самых разных условиях по всему миру.
Большая часть данных для этого исследования поступила из проекта 1001 Genomes Project, целью которого является обнаружение вариаций последовательности всего генома у штаммов A. thaliana со всего мира.
«Мы выходим за рамки лабораторных условий», — сказала Чжун. «Мы изучаем все дикие образцы растений, используя этот более крупный набор данных».
Она считает, что часть причины, по которой A. thaliana эволюционировала, чтобы процветать, несмотря на стрессы окружающей среды, заключается в диверсификации, происходящей в процессе метилирования, включая те самые прыгающие транспозоны. «Один "прыжок" может помочь виду справиться с суровыми условиями окружающей среды».