Как в сперме растений кодируется информация за пределами генетической последовательности
Наследственная информация передается от родителя к потомству через генетический код (ДНК) и эпигенетически — через химически индуцированные модификации вокруг ДНК.
Новое исследование из John Innes Centre раскрыло механизм, который регулирует эти модификации, изменяя способ передачи информации за пределами генетического кода через поколения.
ДНК-метилирование — один из примеров таких эпигенетических модификаций — происходит, когда к ДНК добавляется метильная группа (химический "колпачок"), включая или выключая ген(ы).
При развитии клеток зародышевой линии (яйцеклеток и сперматозоидов) некоторые метильные маркеры сбрасываются, что влияет на информацию, передаваемую следующему поколению.
Как этот процесс работает во время размножения растений, было неясно.
Новое исследование, опубликованное в Science, раскрывает молекулярный механизм перепрограммирования ДНК-метилирования в мужской зародышевой линии растений.
Внутри мужских репродуктивных органов растения (пыльников) клетки, которые будут делиться для производства спермы (мейоциты), окружены клетками, которые их питают. Эти клетки-няньки называются тапетальными клетками.
Команда обнаружила, что тапетальные клетки производят множество малых РНК. Это вызвано белком CLSY3, который находится именно в тапетальных клетках пыльника. Эти малые РНК перемещаются из тапетальных клеток в мейоциты. Там они добавляют новые метильные метки к транспозонам (нестабильным генетическим элементам) с такой же последовательностью ДНК.
"Это открытие меняет наше представление об эпигенетическом наследовании через поколения у растений. Малые РНК, продуцируемые клетками-няньками зародышевой линии, могут определять метиллом ДНК в сперматозоидах. Ключевая роль этих малых РНК указывает на конвергентную функциональную эволюцию между размножением растений и животных", — говорит автор-корреспондент доктор Сяоци Фэн.
Это перепрограммирование останавливает "прыжки" транспозонов в зародышевых клетках, защищая целостность генома между поколениями.
В мейоцитах эти малые РНК также нацеливаются на гены с последовательностями, похожими на исходные транспозоны, помогая контролировать экспрессию генов и способствуя мейозу — типу клеточного деления, ведущему к производству спермы.
Значение открытия:
- Для сельского хозяйства: У злаковых культур (кукуруза, рис) есть похожие тапетальные малые РНК. Новый механизм объясняет, почему они важны для фертильности и урожайности, и указывает новые направления для исследований. Это может помочь в разработке биотехнологий для направленного метилирования ДНК у коммерческих культур.
- Для фундаментальной науки: Работа демонстрирует, что отцовское эпигенетическое наследование определяется тапетальными клетками, которые осуществляют перепрограммирование беспрецедентного масштаба у растений. Механизм показывает, как новые метильные метки устанавливаются в специфичных сайтах специфичных клеток.