Как растения забывают: новое исследование раскрывает механизм специфического сброса эпигенетических меток в спермиях

Растения, как и люди, обладают памятью, хотя и реализуют её иначе. Например, многие растения способны чувствовать и «запоминать» продолжительный холод зимой, чтобы зацвести в нужное время весной. Эта так называемая «эпигенетическая память» формируется путём модификации специализированных белков — гистонов, которые важны для упаковки и маркировки ДНК в клетке. Одна из таких модификаций, H3K27me3, обычно отмечает «выключенные» гены. В случае цветения холод приводит к накоплению H3K27me3 на генах, контролирующих этот процесс. Ранее лаборатория Бергера показала, как H3K27me3 точно передаётся от клетки к клетке, чтобы весной растение «помнило» о перенесённом холоде и зацвело вовремя. Однако не менее важно, чтобы после цветения и образования семян это «воспоминание» о холоде стиралось, иначе семена могут зацвести слишком рано при следующей зиме. Поскольку H3K27me3 точно копируется при делении клеток, как же растения «забывают» эту память в семенах?

Чтобы ответить на этот вопрос, международная команда под руководством доктора Майкла Борга, постдока в лаборатории доктора Фредерика Бергера в Институте Грегора Менделя Австрийской академии наук, исследовала гистоны в пыльце. Учёные предположили, что процесс «забывания», скорее всего, происходит в спермиях. Исследователи с удивлением обнаружили, что H3K27me3 полностью исчезает в спермиях. Оказалось, что в них накапливается особый вариант гистона, который не способен нести модификацию H3K27me3. Это обеспечивает стирание данной модификации с сотен генов — не только тех, что препятствуют цветению, но и контролирующих множество важных функций в семенах, которые образуются после слияния спермия с яйцеклеткой растения. Этот феномен называется «эпигенетическим ресетом» и аналогичен стиранию и переформатированию данных на жёстком диске.

«С экологической точки зрения это вполне логично, — говорит доктор Борг. — Поскольку пыльца может распространяться на большие расстояния, например, ветром или пчёлами, и большая часть «памяти», связанной с H3K27me3, касается адаптации к окружающей среде, семенам следует «забывать» среду отца и «помнить» среду матери, так как они с наибольшей вероятностью будут распространяться и расти рядом с материнским растением».

«Как и растения, животные также стирают эту эпигенетическую память в сперматозоидах, но делают это, заменяя гистоны совершенно другим белком, — отмечает доктор Бергер. — Это один из первых примеров того, как специализированный вариант гистона может помочь перепрограммировать и сбросить отдельную эпигенетическую метку, не затрагивая другие. Существует множество неисследованных вариантов гистонов как у растений, так и у животных, и мы ожидаем, что аспекты этого механизма сброса будут обнаружены у других организмов и в других контекстах развития».