Исследователи картируют ландшафт генетической и эпигенетической регуляции у растений
Новый метод, разработанный учёными Института Солка для быстрого картирования участков ДНК, на которые нацелены регуляторные белки, может дать представление о том, что делает некоторые растения засухоустойчивыми или устойчивыми к болезням.
Раскрытие этого ландшафта зон связывания белков с ДНК, в совокупности называемого «цистромом», показывает, как растения контролируют, где и когда экспрессируются гены. Предыдущие методы картирования цистрома в растительных клетках были сложны и медленны, но новый подход, описанный в выпуске Cell от 19 мая 2016 года, преодолевает эти препятствия, предлагая широкий обзор этого критического аспекта генетической регуляции.
«Это одна из первых попыток глобально охарактеризовать все регуляторные элементы в геноме растения», — говорит старший автор Джозеф Экер. «Цистром был недостающим элементом информации для понимания того, как функционируют растения».
Много информации в клетках растений и животных содержится в «кодирующих» участках ДНК, которые содержат инструкции для создания белков. Но исследователи всё больше осознают, что другие участки генома содержат элементы, контролирующие, когда и как клетки производят эти белки. Среди этих «некодирующих» фрагментов ДНК есть места, где связываются белки, называемые транскрипционными факторами, чтобы управлять активацией соседних кодирующих генов.
«Многие исследования на людях и животных моделях показывают, что некодирующие изменения действительно важны для понимания наследственных нарушений и заболеваний, таких как рак», — говорит Шао-Шань Кэрол Хуанг, соавтор статьи. «Способность выяснить, что делают эти некодирующие области у растений, не менее критична».
В прошлом учёные могли определить, где прикрепляются к геномам растений всего один или два транскрипционных фактора за раз, но эксперименты шли медленно. Экер и его коллеги хотели полностью картировать, где связываются сотни или даже тысячи известных транскрипционных факторов, поэтому им нужен был более быстрый способ картирования сайтов.
Для достижения этого картирования цистрома исследователи создали систему, в которой они могли добавлять меченый транскрипционный фактор в библиотеку ДНК, позволять ему связываться, а затем выделять все пары ДНК-белок. Метод, названный DAP-seq (секвенирование с аффинной очисткой ДНК), значительно расширяет объём информации, которую учёные могут получить о транскрипционных факторах и их сайтах связывания.
«Наша система недорогая и масштабируемая», — говорит Ронан О’Мэлли, соавтор статьи. «Она позволяет нам захватить полную коллекцию сайтов связывания транскрипционных факторов, так что у нас есть полный кодекс». Более того, для неё не требуется сложного или специализированного лабораторного оборудования, которого нет в большинстве растительных лабораторий.
Чтобы проверить полезность DAP-seq, исследователи картировали, где 529 транскрипционных факторов связываются с геномом Arabidopsis thaliana. Они идентифицировали 2,7 миллиона сайтов связывания. Затем они повторили эксперименты, используя ДНК, содержащую или не содержащую метилирование цитозина — процесс маркировки поверхности генома химическими метильными метками для дальнейшего подавления или активации генов. Паттерны связывания около трёх четвертей протестированных транскрипционных факторов изменились.
«Это позволило нам выявить сайты связывания, которые мы могли бы пропустить, если бы не удалили метилирование. С этим подходом мы можем видеть сайты связывания, которые могут быть активны только в подмножестве клеток или тканей», — говорит О’Мэлли. Новые результаты показывают не только то, как регуляторные белки изменяют экспрессию генов, но и какую роль в этой регуляции могут играть эпигеномные метки метилирования.
В отдельной статье, опубликованной в мае 2016 года в Nature Plants, Экер и сотрудничающие группы из Университета Дьюка и Университета Западной Австралии показали, что разные типы клеток в корне Arabidopsis имеют разные паттерны метилирования. Используя DAP-seq, они теперь смогут изучить, как эти паттерны в клетках корня влияют на связывание транскрипционных факторов. Кроме того, они хотели бы изучить, как разные транскрипционные факторы взаимодействуют друг с другом, и попробовать применить метод к другим видам растений и к человеческим клеткам.
«Красота этого метода в том, что его можно выполнить на любом растении, многие из которых не имеют инструментов, доступных для Arabidopsis», — говорит Экер. «И это может дать нам окно в то, как генетические или эпигенетические вариации в регуляторных последовательностях влияют на их признаки».