Биологи из Университета Вашингтона в Сент-Луисе обнаружили источник любопытной дупликации, которая дает растениям множество способов переопределять инструкции, закодированные в их ДНК. Это исследование может помочь ученым использовать существующие системы растения для поддержки черт, которые делают его более устойчивым к изменениям окружающей среды, таким как жара или засуха. Исследование под руководством Сюэхуа Чжуна, профессора биологии в области искусств и наук, было опубликовано в журнале Science Advances.
Новое исследование Чжуна сосредоточено на метилировании ДНК, нормальном биологическом процессе в живых клетках, при котором к ДНК добавляются небольшие химические группы, называемые метильными группами. Эта активность контролирует включение и выключение генов, что, в свою очередь, влияет на различные признаки, включая то, как организмы реагируют на окружающую среду.
Часть этой работы заключается в подавлении или отключении определенных фрагментов ДНК, которые перемещаются в геноме организма. Эти так называемые прыгающие гены, или транспозоны, могут нанести вред, если их не контролировать. Весь процесс регулируется ферментами, но млекопитающие и растения выработали различные ферменты для добавления метильных групп.
«У млекопитающих есть 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», — сказал Чжун. Вопрос в том, почему растениям нужны дополнительные ферменты метилирования?»
Заглядывая вперед, исследования Чжуна могут проложить путь к инновациям в сельском хозяйстве за счет повышения устойчивости культур. «Определенные гены или комбинации генов способствуют определенным особенностям или чертам», — объяснил Чжун. «Если мы точно выясним, как они регулируются, то сможем найти способ усовершенствовать нашу технологию для улучшения культур».
Новое исследование сосредоточено вокруг двух ферментов, которые встречаются в растениях: CMT3 и CMT2. Оба фермента отвечают за добавление метильных групп к ДНК, но CMT3 специализируется на частях ДНК, называемых последовательностями CHG, тогда как CMT2 специализируется на других частях, называемых последовательностями CHH.
Несмотря на функциональные различия, оба фермента являются частью одного и того же семейства хромометилаз (ХМТ), которое эволюционировало в результате дупликационных событий, обеспечивающих растения дополнительными копиями генетической информации.
Используя распространенное модельное растение Arabidopsis thaliana, или кресс-салат Таля, Чжун и ее команда исследовали, как эти дублированные ферменты эволюционировали с течением времени, приобретая различные функции. Они обнаружили, что где-то на эволюционной временной шкале CMT2 утратил способность метилировать последовательности CHG. Это связано с тем, что в нем отсутствует важная аминокислота под названием аргинин.
«Аргинин особенный, потому что у него есть заряд», — говорит Джиа Гви, аспирантка биологического факультета и соавтор исследования. «В клетке он заряжен положительно и, таким образом, может образовывать водородные связи или другие химические взаимодействия, например, с отрицательно заряженной ДНК».
Однако CMT2 имеет другую аминокислоту — валин. «Валин не заряжен, поэтому он не может распознать контекст CHG, как CMT3. Именно это, по нашему мнению, и обуславливает различия между двумя ферментами», — сказал Гви.
Чтобы подтвердить это эволюционное изменение, лаборатория Чжуна использовала мутацию, чтобы переключить аргинин обратно в CMT2. Как они и ожидали, CMT2 был способен выполнять как метилирование CHG, так и метилирование CHH. Это говорит о том, что CMT2 изначально был дубликатом CMT3, резервной системой, помогающей облегчить нагрузку по мере усложнения ДНК.
«Но вместо того, чтобы просто скопировать исходную функцию, он разработал нечто новое», — пояснил Чжун.
Это исследование также дало представление об уникальной структуре CMT2. Фермент имеет длинный, гибкий N-конец, который контролирует собственную стабильность белка. «Это один из способов, с помощью которых растения эволюционировали для стабильности генома и борьбы со стрессами окружающей среды», — сказал Чжун. Эта особенность может объяснить, почему CMT2 эволюционировал в растениях, растущих в столь разнообразных условиях по всему миру.
Большая часть данных для этого исследования была получена в ходе проекта «1001 геном», целью которого является обнаружение вариаций последовательностей всего генома у штаммов A. thaliana по всему миру.
«Мы выходим за рамки лабораторных условий», — сказал Чжун. «Мы изучаем все дикие образцы растений, используя этот более крупный набор данных».
Она считает, что одной из причин, по которой A. thaliana эволюционировала, чтобы процветать, несмотря на экологические стрессы, является диверсификация, которая происходит в процессе метилирования, включая прыжковые транспозоны. «Один прыжок может помочь видам справиться с суровыми условиями окружающей среды».
