27.11.2007

Растения заимствуют гены у «геномных паразитов»

Американские генетики обнаружили, что ключевые гены-регуляторы, обеспечивающие адекватную реакцию растений на изменения освещенности, были заимствованы предками цветковых растений у мобильных генетических элементов — транспозонов. Открытие еще раз продемонстрировало важнейшую эволюционную роль подвижных участков ДНК, традиционно считавшихся «геномными паразитами».

Мобильные участки ДНК — транспозоны и ретротранспозоны, имеющиеся в геномах большинства организмов от бактерий до человека включительно, придают геномам эволюционную пластичность.

В простейшем случае мобильный элемент представляет собой короткий участок ДНК, на концах которого расположены так называемые обращенные повторы, а в середине имеется ген, кодирующий транспозазу — фермент, необходимый для «размножения» и перемещения мобильного элемента.

Чтобы транспозон совершил «прыжок» (транспозицию), хозяйская клетка должна для начала прочитать (транскрибировать) ген транспозазы и синтезировать на его основе белок, то есть саму транспозазу. После этого транспозаза должна найти в хозяйской хромосоме свой транспозон, опознать его (для опознания обычно используются концевые повторы), затем вырезать и вставить в какое-нибудь другое место генома.

Итак, транспозаза умеет делать две вещи: 1) узнавать определенные последовательности ДНК и прикрепляться к ним; 2) вырезать и перемещать фрагменты ДНК.

Оба эти «навыка» транспозазы могут быть использованы клеткой, когда ей удается «приручить» какой-нибудь транспозон, то есть сделать его неотъемлемой функциональной частью своего генома. Для подобных процессов даже придумали специальный термин — «молекулярное одомашнивание» (molecular domestication). Транспозон теряет подвижность (просто за счет какой-нибудь мутационной «поломки») и начинает выполнять полезную для организма функцию. Например, способность прирученных транспозаз — так называемых RAG-белков — вырезать и перемещать фрагменты ДНК лежит в основе системы приобретенного иммунитета. RAG-белки создают разнообразные гены антител путем вырезания и перекомбинирования фрагментов геномной ДНК — «заготовок», передающихся по наследству.

Еще больше эволюционных возможностей содержит в себе способность транспозаз распознавать определенные последовательности нуклеотидов ДНК. На специфическом распознавании белками нуклеотидных последовательностей основаны многие важнейшие процессы в живой клетке. Одним из таких процессов является регуляция активности генов при помощи специализированных регуляторных белков — транскрипционных факторов (ТФ).

Чрезвычайно любопытно, что концевые обращенные повторы многих мобильных элементов, то есть участки ДНК, распознаваемые транспозазами, порой бывают удивительно похожи по последовательности нуклеотидов на сайты связывания ТФ (участки ДНК, распознаваемые транскрипционными факторами). В обоих случаях широко распространены палиндромные мотивы — последовательности ДНК, читающиеся одинаково в обе стороны.

Это позволяет предположить, что в ходе эволюции прирученные транспозазы могут иногда брать на себя роль транскрипционных факторов, а фрагменты концевых повторов транспозонов, наверное, могут иногда оказываться в таких позициях, где они способны функционировать в качестве сайтов связывания ТФ. Признаюсь по секрету, что некоторое время назад мы с А. М. Куликовым из Института биологии развития РАН всерьез размышляли, нельзя ли доказать, что ТФ как таковые, вместе со своими сайтами, изначально произошли от транспозонов (решили, что нельзя — слишком уж давно это было, еще до появления эукариотической клетки). К тому же на тот момент еще не были известны конкретные случаи «превращений» прирученных транспозаз в транкрипционные факторы.

И вот американские генетики опубликовали статью, в которой впервые документально подтверждается такое превращение.

Исследователи изучали работу системы светочувствительных белков у арабидопсиса — классического модельного растения из семейства крестоцветных. Как и другие цветковые растения, арабидопсис внимательно следит за освещенностью при помощи сложных молекулярных систем. Это помогает растению оптимизировать свой рост, обмен веществ, выращивать листья и соцветия в «правильное» время и т. д. Важную роль в фоторецепции у цветковых играет белок фитохром А, реагирующий на свет с длиной волны 700–750 нм («дальний красный»). Под действием света фитохром А переходит в биологически активную форму и транспортируется из цитоплазмы в ядро клетки, где он «включает» целый ряд генов, регулирующих различные процессы жизнедеятельности (цветение, созревание семян и др.). Предполагается, что фитохром А был уже у последнего общего предка цветковых растений и что формирование эффективной светочувствительной регуляторной системы способствовало быстрой экспансии цветковых в меловом периоде.

Светозависимый транспорт фитохрома А в ядро осуществляется при помощи белков FHY1 и FHL. Кроме того, были идентифицированы еще два белка — FHY3 и FAR1, без которых транспорт фитохрома А в ядро нарушается, однако конкретная биохимическая функция этих белков была до сих пор неизвестна. Именно эти два белка и привлекли внимание исследователей.

Анализ нуклеотидных последовательностей генов FHY3 и FAR1 показал чрезвычайно высокое сходство с генами транспозаз, входящими в состав транспозонов Mutator и Jittery. Оба эти транспозона широко распространены в геномах цветковых растений и относятся к надсемейству транспозонов, именуемому MULE (Mutator-like elements). Сходство генов FHY3 и FAR1 с транспозазами оказалось настолько большим, что говорить о случайности не приходится — это, несомненно, гены «прирученных» транспозаз.

При помощи многочисленных сложных экспериментов с использованием разнообразных мутантов и трансгенных растений (и даже дрожжевых клеток с внедренными растительными генами) исследователям удалось показать, что белки FHY3 и FAR1 необходимы для активации генов FHY1 и FHL (тех самых, которые кодируют белки, транспортирующие активированный светом фитохром А в ядро). Оказалось, что «прирученные транспозазы» регулируют активность обоих генов не поодиночке, а совместными усилиями. Они проникают в ядро и прикрепляются непосредственно к регуляторной области (промотору) генов FHY1 и FHL, что приводит к резкому росту активности (экспрессии) этих генов. Таким образом, «прирученные транспозазы» FHY3 и FAR1 работают как самые настоящие транскрипционные факторы.

Ученым удалось также идентифицировать конкретную последовательность нуклеотидов (CACGCGC), которую распознают белки FHY3 и FAR1 в промоторах генов FHY1 и FHL. Эта последовательность присутствует также в промоторах ряда других генов, участвующих в фоторецепции, регуляции развития и суточных ритмов, таких как PHYTOCHROME B, CIRCADIAN CLOCK–ASSOCIATED 1 (CCA1) и EARLY FLOWERING 4 (ELF4). Вполне возможно, что «прирученные транспозазы» регулируют активность и этих генов тоже.

Наконец, исследователи установили, что активность самих генов «прирученных транспозаз» подавляется фитохромом А, поступающим в ядро. В результате образуется контур отрицательной обратной связи, благодаря которому сигнальная система срабатывает при определенной освещенности и затем отключается, а не работает постоянно, как пожарная сирена, пока освещенность не изменится.

Но главное значение этой работы, конечно, в том, что впервые удалось продемонстрировать превращение «прирученных транспозаз» в полноценные транскрипционные факторы. Авторы предполагают, что приручение одного или нескольких транспозонов семейства MULE произошло вскоре после появления цветковых растений (примерно в середине мелового периода, около 100 млн лет назад) и было связано с освоением первыми цветковыми разных широтных зон, то есть местообитаний с разной сезонной динамикой освещенности.

Rongcheng Lin, Lei Ding, Claudio Casola, Daniel R. Ripoll, Cedric Feschotte, Haiyang Wang

Источники:

1. Science. 2007. V. 318. P. 1302–1305
2. Лаборатория биотехнологии растений