Белки мха могут объяснить, как растения освоили сушу

Фото из открытых источников

Некоторые открытия сделаны в местах, которые кажутся обычными. Physcomitrium patens — это небольшой мох, выращенный в лабораторных чашках, но он позволил ученым получить редкую возможность увидеть, как растения контролируют свой рост. Результаты исследования опубликованы в журнале New Phytologist.

Исследователи обнаружили белок, который объединяет две функции, обычно выполняемые отдельными молекулами. Они назвали его RAK1. Его необычная структура может помочь объяснить, как простые растительные клетки учатся строить трехмерные тела — шаг, который сформировал жизнь на суше.

«Мы обнаружили белок, который ранее никогда не встречался и обладает очень специфическими свойствами», — сказал соавтор исследования Элеазар Родригес из Копенгагенского университета. «Это помогает нам лучше понять, как функционируют наземные растения».

Мох может казаться простым, но в нём хранятся древние подсказки. Молодой Physcomitrium patens начинается как плоский, нитевидный коврик. Позже некоторые клетки меняют направление и образуют небольшие листовидные побеги. Этот переход от стагнации к восходящему росту перекликается с важным событием в истории Земли.

Когда около 470 миллионов лет назад предки растений вышли на сушу, им понадобились новые способы деления клеток, формирования кроны и доступа к свету. Мох позволяет ученым наблюдать за упрощенной версией этих изменений.

«Без возможности расти в трех измерениях ландшафт выглядел бы совсем иначе», — сказал соавтор исследования Томас Юэль Аммитсё. «В наше время деревья и кустарники не росли бы так, как сегодня. Жизнь на суше, вероятно, оставалась бы гораздо более ограниченной».

RAK1 привлек внимание, потому что объединяет две древние клеточные системы. Одна из них действует как MAP-киназа, сигнальный переключатель, который сообщает белкам, когда включать или выключать процессы.

Клетки используют эти переключатели для реагирования на стресс, сигналы роста и изменения в окружающей среде. Другая часть действует как фермент NATD, добавляя к белкам крошечные ацетильные метки. Эти метки могут изменять поведение белков и влиять на гистоны — белки, которые помогают упаковывать ДНК.

При изменении гистонов может изменяться и активность генов. У большинства живых организмов эти две системы остаются раздельными. У этого мха же они слились в один белок.

Команда исследователей установила, что источником RAK1, вероятно, стала генетическая случайность. По всей видимости, ген MAP-киназы был скопирован через РНК и вставлен рядом с геном NATD. Со временем эти два гена слились в один. Многие подобные события исчезают. Это же событие сохранилось у мхов, что позволяет предположить, что оно помогло решить проблему роста.

Для проверки белка ученые удалили RAK1 из мхов. Растения продолжали расти, но вместо образования множества листовых побегов они разрастались вширь. Проблемы начались в почках — небольших структурах, которые инициируют трехмерный рост. У обычного мха клетки почек делятся по четко определенной схеме. Без RAK1 многие клетки делились в неправильном направлении, и некоторые почки не созрели.

«Мы обнаружили, что клетки мха, лишенные RAK1, не делились должным образом и образовывали дефектные почки», — сказала соавтор исследования Клоэ Де Люксан Эрнандес. «Это свидетельствует о том, что RAK1, возможно, сыграл решающую роль в обеспечении эффективного роста мха».

Затем исследователи сравнили тысячи белков в обычном мхе и мхе без RAK1. Один результат особенно выделялся.

Более 1700 белков теряли ацетильные метки при отсутствии RAK1, в то время как лишь небольшое число из них их приобретало.

Многие из затронутых белков были связаны с метаболизмом — химическими процессами, которые клетки используют для производства энергии и строительных материалов. Это говорит о том, что RAK1 помогает подготовить клетки к энергетическим потребностям, возникающим при формировании почек.

«Наши результаты показывают, что переход от плоского к трехмерному росту растений зависит не только от регуляции генов, но и от точного метаболического контроля», — говорит Родригес.

RAK1 также продемонстрировал удивительную внутреннюю систему контроля. Когда активировалась часть белка, отвечающая за переключение сигналов, часть, отвечающая за ацетилирование, становилась более активной.

Это означает, что две половины не просто лежат рядом. Они влияют друг на друга.

Для исследователей это открывает более широкие возможности: аналогичные связи между клеточной сигнализацией и ацетилированием могут существовать и в других организмах, даже если белки разделены.

Это исследование показывает, что рост контролируется не только генами. Клетки также нуждаются в правильном метаболизме, времени и химических метках. Небольшой мох выявил новый способ взаимодействия этих систем.

«Как и человеческие стволовые клетки, стволовые клетки мха зависят от строго контролируемого метаболизма во время роста и деления», — сказал Родригес. «Наши результаты показывают, что RAK1 является частью этой регуляторной системы».

Остается много вопросов, в том числе, какие белки модифицирует RAK1 и какие сигналы активируют его внутри живого мха. Тем не менее, главный вывод ясен.

В процессе эволюции был найден способ объединить два молекулярных языка в один, и это слияние может помочь объяснить, как растения начали создавать окружающий нас зеленый мир.