Исследование раскрывает скрытую молекулярную машинерию в процессах РНК
Особая последовательность рибонуклеиновой кислоты (РНК) под названием COOLAIR раскрывает учёным свою внутреннюю структуру и функцию, демонстрируя поразительное сходство с молекулярной машиной РНК. Ранее считалось, что такие способности ограничены белковой фабрикой клеток (рибосомой) и не свойственны простым цепочкам РНК.
"Мы раскрываем внутренний механизм памяти растений", — сказала Карисса Санбонмацу из Лос-Аламосской национальной лаборатории, ведущий автор новой статьи в журнале Cell Reports.
За последние пять лет так называемая "мусорная ДНК" в клетке оказалась вовсе не мусором. Она производит молекулы РНК, которые играют ключевую роль в развитии органов эмбриона, а также влияют на рак, функции мозга и биологию растений. Ключевой областью исследований стала эпигенетика и вопрос о том, как растения "знают", когда цвести.
В эпигенетике окружающая среда может вызывать физиологические изменения, передающиеся из поколения в поколение, при этом последовательность ДНК клеток не меняется. Растения — идеальная модель для изучения эпигенетической памяти (когда одно поколение клеток "помнит", что произошло с предыдущим) в замедленном темпе.
В данной работе фокус был на цепочке РНК COOLAIR, которая контролирует время цветения растений весной, "ощущая" продолжительность воздействия холода на растение. Если эти РНК отключить или удалить, растения просто не зацветают.
"Цветы могут казаться несущественными по сравнению с листьями, стеблями и корнями, но они фактически держат ключи к выживанию цветковых растений. Репродуктивный успех растения критически зависит от точного времени цветения весной", — отметила Санбонмацу.
Это время цветения порождает любопытный феномен: растения зацветают только после определённого количества дней воздействия холодной погоды, то есть они "помнят", сколько дней прошло с середины зимы.
"То, как они помнят, не имея мозга или центральной нервной системы, — загадка. Многие считают, что ключевую роль играет РНК, молекулярный "кузен" ДНК", — сказала Санбонмацу. Предполагалось, что гигантские молекулы РНК важны в этом процессе, но никто не знал, как они выглядят или работают. Совместная работа учёных из Лос-Аламоса и Великобритании дала одну из первых 2-D карт такой молекулы — COOLAIR, которая считается ключевым элементом в загадке памяти растений.
COOLAIR относится к классу молекул, называемых длинными некодирующими РНК (lncRNA). Хотя было показано, что многие lncRNA критически важны для биологических процессов, их точная функция была неизвестна. Исследователи начинают понимать, что lncRNA, по-видимому, контролируют различные эпигенетические процессы у растений и млекопитающих.
COOLAIR, по-видимому, является репрессором репрессора. Он помогает контролировать внутренние сенсоры, которые сообщают растению, что пора прекращать откладывать цветение, так как погода, кажется, склоняется к благоприятному времени. Первый репрессор — белок FLC (flowering locus C). Он отключает цветение осенью и зимой. COOLAIR, в свою очередь, подавляет FLC, позволяя цветению произойти, но только после 4–6 недель воздействия низких температур.
"Эта работа проясняет дискуссию о функциональном значении некодирующих транскриптов, которые не консервативны на уровне последовательности", — сказала соавтор статьи Кэролайн Дин из Центра Джона Иннеса (Великобритания).
Проект COOLAIR — это сотрудничество с лидером в области эпигенетики растений Кэролайн Дин и её командой. Команда из Лос-Аламоса определила структуры COOLAIR, а команда Дина, включая первого автора Эмили Хоукс, провела мутации на живых растениях, чтобы подтвердить эти структуры.
"Первый шаг — найти их 2-D структуру, заложив архитектурный план полной 3-D структуры. Это и сделала команда из Лос-Аламоса. Используя биохимические стратегии, заимствованные из исследований рибосом, мы изучили 2-D структуры этих РНК и обнаружили, что они насыщены высоко замысловатыми структурами, не unlike рибосома", — пояснила Санбонмацу.