1 день назад
12
Китайские ученые создали революционную технологию TAC-C и показали, что трехмерная упаковка ДНК в ядре клеток растений играет ключевую роль в регуляции фотосинтеза. Открытие не только объясняет фундаментальные механизмы роста растений, но и может помочь специалистам повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Гены включаются и выключаются не случайно — их активность контролируют особые регуляторные элементы, которые могут находиться на большом расстоянии (тысячи нуклеотидов) от целевого гена. В клетках животных физическое сближение генов и регуляторных элементов (энхансеров) происходит за счет образования петель хроматина (сложных структур из ДНК и белков), которые стабилизируются белками CTCF и когезином. Однако у растений нет гомологов CTCF, а механизмы формирования петель до недавнего времени оставались мало изученными, особенно у видов с огромными геномами, таких как пшеница (16 миллиардов пар оснований). Существующие методы, такие как Hi-C или OCEAN-C, не позволяют эффективно различать петли в активных (открытых) участках хроматина, в которых происходит регуляция ключевых процессов, включая фотосинтез, и неактивных участках.
Чтобы решить эту проблему, ученые объединили две технологии: ATAC-Seq, которая позволяет выявлять активные зоны хроматина, и Hi-C, фиксирующую взаимодействия хроматина на уровне всего генома. Получившийся в результате объединения метод исследователи назвали TAC-C (Transposase-Accesible Chromosome Conformation Capture). Он позволил целенаправленно выявить взаимодействия в открытых участках хроматина, обеспечив при этом высокое разрешение и лучшую эффективность при меньшей глубине секвенирования (среднее количество прочтений каждого нуклеотида в геноме) по сравнению с традиционными методами.
С помощью TAC-C исследователи получили детальные 3D-карты хроматиновых взаимодействий для четырех сельскохозяйственных культур: риса, сорго, кукурузы и пшеницы. Анализ показал, что наиболее активные участки гнома образуют большое число взаимодействий и связаны с повышенной экспрессией генов. Эти «якорные» регионы оказались обогащены локусами количественных признаков (QTL), что подтверждает их роль в регуляции важных для сельского хозяйства свойств.
Оказалось также, что три субгенома (A, B, D) гексаплоидной пшеницы демонстрируют асимметричные взаимодействия хроматина из-за вставок мобильных генетических элементов (транспозонов) и вариативности последовательностей в якорных участках. Это приводит к неравномерной экспрессии гомологичных генов в разных субгеномах.
Однако главное открытие касается механизма регуляции фотосинтеза. Якорные участки петель хроматина оказались обогащены мотивами связывания транскрипционных факторов семейства SBP. Дальнейший анализ мутантов пшеницы, лишенных транскрипционных факторов TaSPL7 и TaSPL15, выявил потерю петель хроматина, связанных с рядом генов фотосинтеза, включая TaCKX11-B, TaSGR-5D, TaNRR-A1 и TaTK-2D. Это нарушало их работу и приводило к изменению развития листьев и снижению эффективности фотосинтеза.
TAC-C не просто объясняет, как пространственная организация генома растений обеспечивает фотосинтез, но и представляет собой незаменимый инструмент для селекции. Зная, какие петли хроматина могут контролировать урожайность, специалисты смогут редактировать регуляторные элементы вместо самих генов, что проще и безопаснее. Авторы убеждены, что новая технология закладывает основу для более глубокого понимания механизмов дистантных генетических взаимодействий у растений. Дальнейшие исследования могут быть направлены на поиск аналогичных механизмов у других культур, а также изучение эволюции пространственной организации генома в процессе одомашнивания растений.
