У растений есть резервная команда по восстановлению, устраняющая повреждения ДНК

Фото из открытых источников

Солнечный свет дает растениям энергию, но он также может вызывать вредные изменения. Те же самые лучи, которые стимулируют рост, продолжают разрушать ДНК внутри клеток растений. В отличие от животного, растение не может просто уйти от проблемы. Оно должно исправить ущерб прямо там, где он находится.

Новые исследования Института Салка показывают, что растения содержат особый восстанавливающий белок, предназначенный именно для этой задачи. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Растения живут в условиях постоянного стресса. Солнечный свет, радиация, засуха и бедная почва могут нарушить генетический код, от которого зависят их клетки. Для поддержания здоровья растения используют системы восстановления, которые проверяют их ДНК днем и ночью. Но как именно они управляют этими процессами восстановления, особенно в тканях, из которых образуются новые части, до сих пор было трудно определить.

«Растения уникальны тем, что то же самое, что даёт им возможность расти — солнечный свет — постоянно повреждает их ДНК», — сказала профессор Джули Лоу Института Салка. «Вопрос в том, как они справляются с таким уровнем повреждения ДНК?»

Процесс восстановления сложен из-за особенностей хранения ДНК. Внутри каждой клетки ДНК плотно обвивается вокруг белков, называемых гистонами, и эти пучки вместе образуют плотный материал, называемый хроматином.

Такая плотная упаковка обеспечивает аккуратность генома. Недостаток заключается в том, что она может скрывать поврежденные участки, и ремонтная бригада не сможет устранить повреждение, до которого не дотянется.

«Для восстановления поврежденной ДНК сначала необходимо обнаружить повреждение, а затем привлечь белки, необходимые для раскручивания хроматина и восстановления ДНК», — сказала Лоу.

Чтобы распутать эту структуру, растения используют вспомогательные белки, которые действуют как первые помощники. Эти белки разрыхляют хроматин, направляют инструменты восстановления к поврежденному участку и поддерживают весь процесс в рабочем состоянии.

Одно из важных семейств этих помощников называется YAF9. Оно очень древнее, встречается у многих живых организмов, но растения внесли в него свои собственные особенности.

«Семейство белков YAF9 встречается в дрожжах, животных и растениях», — сказала Нираджа Вегесна из лаборатории Лоу. «Но у растений развилась вторая версия, YAF9B, которая активируется именно после повреждения ДНК».

Таким образом, на предприятиях используются две версии. YAF9A работает повсеместно как универсальный помощник по ремонту, а YAF9B — это специализированная версия, которая включается в основном при возникновении повреждений.

Команда исследовала оба гена, подвергая проростки облучению, которое разрушает ДНК. Ген YAF9A продолжал активно работать, несмотря ни на что. YAF9B действовал иначе. В спокойные моменты он оставался тихим, а затем мгновенно переходил в действие, как только начинали разрушаться фрагменты ДНК.

За эту реакцию отвечает управляющий переключатель, называемый SOG1. SOG1 перехватывает короткий сигнал в гене YAF9B и включает его после повреждения, а когда команда исследователей исказила этот сигнал, реакция просто развалилась.

Этот белок также был избирателен в отношении типа повреждения. Инструменты, разрывающие обе нити ДНК, активировали его, в то время как холод, соль, жара и другие стрессовые факторы в основном оставляли его в покое.

Ген YAF9B не активировался по всему растению. Он был наиболее выражен в верхушках побегов и корней, в тех местах, где было много стволовых клеток. Эти стволовые клетки формируют каждый новый корень, побег и лист. Ошибка, допущенная в этих клетках, копируется во все последующие растения.

«Именно эти стволовые клетки дают начало остальной части растения», — сказала Лоу. «Гипотеза заключается в том, что растение вырабатывает этот фактор, чтобы помочь защитить эти клетки и дать им больше шансов на высокоточное восстановление ДНК».

Растения могут восстанавливать поврежденную нить ДНК несколькими способами. Самый быстрый способ, называемый негомологичным соединением концов, просто склеивает свободные концы обратно.

За такую скорость приходится платить. Патч обычно держится, но может вносить ошибки или небольшие изменения. Более медленный способ, репарация на основе гомологии, восстанавливает поврежденный участок, используя чистую копию в качестве ориентира. Это занимает больше времени, но при этом сохраняет целостность исходного кода.

В ходе исследования выяснилось, что для этого тщательно продуманного маршрута важны как YAF9A, так и YAF9B. Чтобы это проверить, команда создала растения, у которых отсутствовал один или оба гена YAF9. В ходе общей проверки состояния здоровья только растения, у которых отсутствовали оба гена, показали, что эти два гена могут компенсировать друг друга.

Более детальный анализ позволил получить более полную картину. Когда исследователи рассматривали только путь тщательного восстановления, потеря любого из этих генов резко снижала эффективность восстановления, поэтому эти два белка не были просто взаимозаменяемыми.

Внутри камеры эти двое также общаются с разными людьми. YAF9A работает в паре с двумя известными ремонтными машинами, в то время как YAF9B использует только одну, образуя специальную версию, созданную для чрезвычайных ситуаций. Это знаменует собой первую связь между этим оборудованием и ремонтом поломок на предприятиях.

«Точное восстановление ДНК имеет важное значение для поддержания стабильности генома, но оно зависит от совместной работы множества белков внутри хроматина», — сказала Лоу. «Самое интересное в этом исследовании то, что мы идентифицировали YAF9B как белок, реагирующий на повреждения ДНК и считывающий хроматин, который помогает клеткам осуществлять высокоточную репарацию ДНК, раскрывая тем самым новую технологию, используемую растениями для защиты своих геномов».

Данная работа имеет практическое преимущество. Инструменты редактирования генов, такие как CRISPR, часто основаны на быстром, но подверженном ошибкам механизме восстановления, характерном для растений, что ограничивает возможности ученых по чистой замене генов.

Понимание того, почему растения предпочитают осторожный путь восстановления, может помочь изменить ситуацию. Теперь команда хочет узнать, как эти белки распределяют работу во время восстановления.

«Наша следующая цель — понять, как эти хроматиновые эффекторы координируют различные этапы восстановления ДНК и как именно YAF9B способствует точному и эффективному восстановлению ДНК», — сказала Лоу. «Если мы поймем, как растения способствуют высокоточной репарации, мы, возможно, в конечном итоге сможем улучшить технологии редактирования генома у растений».