Cell: Растения передают потомкам не только гены, но и химические маркеры

Когда организмы передают свои гены будущим поколениям, они включают в себя не только код, записанный в ДНК. Некоторые организмы передают также химические маркеры, которые инструктируют клетки, как использовать этот код.

Передача этих маркеров будущим поколениям известна как эпигенетическое наследование. Особенно часто оно встречается у растений. Таким образом, сделанные здесь важные выводы могут иметь значение для сельского хозяйства, производства продуктов питания и окружающей среды.

Профессора Лаборатории Колд Спринг Харбор (CSHL) и исследователи HHMI Роб Мартиенссен и Лимор Джошуа-Тор изучали, как растения передают маркеры, которые удерживают транспозоны в неактивном состоянии. Транспозоны также известны как прыгающие гены. Включившись, они могут перемещаться и нарушать работу других генов. Чтобы заглушить их и защитить геном, клетки добавляют регуляторные метки к определенным участкам ДНК. Этот процесс называется метилированием.

Мартиенссен и Джошуа-Тор показали, как белок DDM1 освобождает место для фермента, который размещает эти метки на новых нитях ДНК. Растительные клетки нуждаются в DDM1, поскольку их ДНК плотно упакована. Чтобы сохранить компактность и порядок в геноме, клетки оборачивают ДНК вокруг упаковочных белков, называемых гистонами.

Но это закрывает доступ к ДНК для всевозможных важных ферментов, — поясняет Мартиенссен.

Чтобы метилирование могло произойти, «необходимо удалить или сдвинуть гистоны с пути.

Мартиенссен и его бывший коллега по CSHL Эрик Ричардс впервые обнаружили DDM1 30 лет назад. С тех пор исследователи выяснили, что он сдвигает ДНК вдоль упаковочных белков, обнажая участки, нуждающиеся в метилировании. Мартиенссен сравнивает это движение со скольжением йо-йо по струне.

Гистоны могут перемещаться вверх и вниз по ДНК, одновременно обнажая участки ДНК, но никогда не срываясь, — поясняет он.

С помощью генетических и биохимических экспериментов Мартиенссен точно определил, какие именно гистоны вытесняет DDM1. Джошуа-Тор использовал криоэлектронную микроскопию для получения детальных изображений фермента, взаимодействующего с ДНК и связанными с ней упаковочными белками. Они смогли увидеть, как DDM1 цепляется за определенные гистоны, чтобы перестроить упакованную ДНК.

Оказалось, что неожиданная связь, связывающая DDM1, соответствует первой мутации, обнаруженной все эти годы назад, — говорит Джошуа-Тор.

Эксперименты также показали, как сродство DDM1 к определенным гистонам сохраняет эпигенетический контроль в разных поколениях. Команда показала, что гистон, обнаруженный только в пыльце, устойчив к действию DDM1 и выполняет роль «запасного варианта» во время деления клетки.

Он запоминает, где находился гистон во время развития растения, и сохраняет эту память в следующем поколении, — говорит Мартиенссен.

Возможно, растения здесь не одиноки. Человек также зависит от DDM1-подобных белков для поддержания метилирования ДНК. Новое открытие может помочь объяснить, как эти белки поддерживают функциональность и целостность наших геномов.

Результаты опубликованы в издании Cell.

28.08.2023