Cell: как растения передают генетическую память

Когда организмы передают свои гены будущим поколениям, они включают в себя нечто большее, чем код, записанный в ДНК. Некоторые также передают химические маркеры, которые инструктируют клетки, как использовать этот код. Передача этих маркеров будущим поколениям известна как эпигенетическое наследование. Особенно часто это встречается у растений. Таким образом, важные результаты могут иметь последствия для сельского хозяйства, поставок продовольствия и окружающей среды.

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

Мартиенссен и Джошуа-Тор теперь показали, как белок DDM1 уступает место ферменту, который размещает эти метки на новых цепях ДНК. Растительным клеткам нужен DDM1, потому что их ДНК плотно упакована. Чтобы сохранить свои геномы компактными и упорядоченными, клетки оборачивают свою ДНК вокруг упаковочных белков, называемых гистонами. «Но это блокирует доступ к ДНК для всех видов важных ферментов», — объясняет Мартиенсен. Прежде чем произойдет метилирование, «необходимо удалить или убрать гистоны с пути».

Мартиенссен и бывший коллега по CSHL Эрик Ричардс впервые обнаружили DDM1 30 лет назад. С тех пор исследователи узнали, что он скользит по ДНК вдоль упаковывающих ее белков, открывая участки, нуждающиеся в метилировании. Мартиенссен сравнивает это движение с скользящим по веревке йо-йо. Гистоны «могут перемещаться вверх и вниз по ДНК, одновременно обнажая части ДНК, но никогда не отпадая», объясняет он.

С помощью генетических и биохимических экспериментов Мартиенссен точно определил, какие гистоны вытесняет DDM1. Джошуа-Тор использовал криоэлектронную микроскопию для получения детальных изображений фермента, взаимодействующего с ДНК и соответствующими упаковочными белками. Им удалось увидеть, как DDM1 захватывает определенные гистоны и реконструирует упакованную ДНК. «Неожиданная связь, связывающая DDM1, соответствует первой мутации, обнаруженной много лет назад», — говорит Джошуа-Тор.

Эксперименты также показали, как сродство DDM1 к определенным гистонам сохраняет эпигенетический контроль из поколения в поколение. Команда показала, что гистон, обнаруженный только в пыльце, устойчив к DDM1 и действует как заполнитель во время деления клеток. «Он помнит, где находился гистон во время развития растения, и сохраняет эту память в следующем поколении», — говорит Мартиенссен.

Растения здесь могут быть не одни. Люди также зависят от DDM1-подобных белков для поддержания метилирования ДНК. Новое открытие может помочь объяснить, как эти белки поддерживают функциональность и целостность наших геномов.