Вся жизнь зависит от генома, который служит инструкцией по сборке всех продуктов, необходимых для развития и выживания. Но знание того, какие из этих отдельных инструкций – или генов – необходимо прочитать и когда, является ключевым для правильно функционирующего организма: так как жизнь понимает это правильно?
Ввести эпигенетическую регуляцию – процесс, посредством которого клетки контролируют экспрессию или читабельность генов. В многоклеточных организмах эпигенетика является причиной, по которой каждый тип клеток различается по форме и функциям, причем каждый тип клеток следует различным поднаборам инструкций. Клетки также используют эпигенетическую регуляцию в качестве «иммунной системы», подавляя активность разрушительных «прыгающих генов», называемых транспозонами, которые в противном случае могут прыгать вокруг генома и угрожать его целостности.
Несмотря на свою важность, ученые все еще пытаются распутать многие пути, которые клетки используют для точного контроля активности генов. Теперь исследователи из Университета Окинавы, научного и технологического университета (OIST), раскрыли тайну загадки, рассматривая, как растительные клетки подавляют транскрипцию – первый этап того, как гены производят свои продукты. Их выводы, недавно опубликованные в Nature Communications , указывают ранее неизвестные участки ДНК, которые заглушаются эпигенетической регуляцией, многие из которых происходят из транспозонов.
“Это исследование дает исчерпывающее представление о том, как и где клетки подавляют транскрипцию по всему геному», – сказал доктор Ту Ле, первый автор и постдокторский исследователь в отделе эпигенетики растений OIST. «Важно отметить, что это молчание было жизненно важным для обеспечения правильного функционирования генов, участвующих в развитии и ответных реакциях на стресс».
Во время транскрипции клеточный механизм копирует участок ДНК в РНК. Обычно эти РНК-транскрипты затем используются для получения белков. Клетки могут усиливать или подавлять транскрипцию, добавляя химические метки к ДНК или к гистоновым белкам, которые упаковывают ДНК, которые сообщают механизму, который РНК-транскрипты – и, в конечном счете, белки – производят и в каком количестве.
Этот уровень точного контроля жизненно важен для управления транспозонами. «Транспозоны – это паразиты геномов, которые способствуют собственной экспрессии за счет организма», – сказал профессор Хидетоши Сазе, старший автор исследования и руководитель отдела эпигенетики растений. «Когда транспозон активен, его генетическая последовательность используется для производства белка, который может перемещать транспозон в другое место в геноме, например, выполнять функции«вырезать и вставить»или«копировать и вставить».»
Транспозоны обычно отключаются, поскольку их активность может отключить важные гены. Но иногда, находясь в состоянии стресса, растения повторно активируют транспозоны, поскольку они являются источником генетической изменчивости, потенциально генерируя полезные мутации, которые позволяют растению адаптироваться к изменяющейся среде.
«Наша лаборатория в конечном итоге стремится точно определить, как клетки распознают и регулируют транспозоны», – добавил доктор Ле. «Эта работа является важным первым шагом к этой цели.»
Открытие скрытых сайтов транскрипции
В исследовании ученые использовали несколько мутантных штаммов растения под названием Arabidopsis thaliana с различным эпигенетическим путем, отключенным в каждом штамме.
Затем команда использовала технику секвенирования для обнаружения специфических последовательностей ДНК, которые действуют как стартовые сайты для механизма транскрипции генома. Они обнаружили тысячи этих «сайтов начала транскрипции» (TSS), которые были активны только в эпигенетических мутантах.
«Многие из этих мест не были обнаружены в предыдущих исследованиях, потому что они полностью заглушены у растений дикого типа. Наше обнаружение этих скрытых – или загадочных – TSSs представляет собой ценный источник данных для будущих эпигенетических исследований на растениях», – сказал профессор. Saze.
Ученые определили один мутантный штамм растения, который активировал особенно большое количество загадочных TSS. , Ген, отсутствующий у этого мутанта, кодирует ключевой белок, который поддерживает метилирование ДНК. Когда метильные группы добавляются к ДНК, эта эпигенетическая метка запускает биохимический путь, который заставляет гистоны плотнее упаковывать ДНК. Это физически останавливает механизм транскрипции от доступа к областям генома, которые содержат загадочные TSS.
“Чистый Количество загадочных TSS, активируемых при потере метилирования ДНК, показывает, что это мощный и распространенный метод молчания», – сказал доктор Ле.
От транспозонов до стрессоустойчивости
Еще одним ключевым открытием стала связь между транспозонами и загадочными TSS. Ученые обнаружили, что до 65% загадочных TSS произошли в этих» прыгающие гены, которые были более длинными и более метилированными, чем транспозоны без загадочных TSS.
“Это говорит о том, что транспозоны с загадочными TSSs моложе, целы и все еще способны прыгать вокруг генома, поэтому их заставляют замолчать “, – объяснил доктор Ле.
Поразительно, что ученые заметили, что когда загадочные TSS активировались у эпигенетических мутантов, это изменяло активность соседних генов, вовлеченных в стресс и развитие. Ученые еще не до конца понимают механизм этого воздействия, но последствия интригуют.
” Предыдущее исследование показало, что со временем, по мере разрушения транспозонов, растения могут адаптировать TSS в транспозонах для собственного использования, чтобы регулировать активность соседних генов», – сказал профессор Сазе. «Влияние активированных зашифрованных TSS на гены стресса и развития предполагает, что в будущем растения могут использовать эти TSS для адаптации к изменяющимся условиям».
В будущих исследованиях ученые надеются узнать больше об этих загадочных TSS и как они влияют на активность соседних генов. «Это исследование может помочь нам лучше понять, как растения реагируют на изменения окружающей среды, такие как глобальное потепление, засуха и деградация питательных веществ в почве. После этого может появиться возможность выращивать новые культуры, устойчивые к этим видам стресса», – сказал профессор Сазе. ,