Короткие гены в геномах растений могут влиять на рост и развитие

Несмотря на секвенирование тысяч геномов, понимание их работы далеко от полного. Исследователи продолжают находить новые гены, определять их функции и выявлять взаимодействия, формирующие организм. Работая с хорошо изученным модельным растением Arabidopsis thaliana, Косукэ Ханада и коллеги из RIKEN Plant Science Center показали, что подмножество крошечных генов, разбросанных по геному, может контролировать паттерны развития.

Для поиска новых генов учёные анализируют большие объёмы геномных данных, чтобы найти участки с базовой структурой гена — «открытыми рамками считывания» (ORF). Команда Ханады сосредоточилась на коротких ORF (sORF), кодирующих последовательности всего из 30–100 аминокислот (средняя длина гена у A. thaliana — 600 аминокислот). Такие последовательности часто упускаются при аннотации генома.

Исследователи выявили почти 8000 sORF с помощью компьютерного анализа генома A. thaliana. Затем они использовали анализ экспрессии, чтобы исключить псевдогены — генетические остатки, которые больше не «включаются». Для этого применялся специально разработанный флуоресцентный микрочип, создающий «атлас экспрессии» высокоактивных и, следовательно, вероятно функциональных генов. На микрочипе гены флуоресцируют с интенсивностью, пропорциональной уровню их экспрессии. Этот подход показал, что 27% изначально выявленных sORF были высоко экспрессированы.

Затем учёные сравнили эти вероятно функциональные последовательности с данными 16 других растительных геномов, чтобы определить, какие sORF соответствуют генам, присутствующим у нескольких видов и, следовательно, высоко консервативны. Такой сравнительно-геномный подход позволяет выявить гены, эволюционно сохранённые из-за их важных функций. Оказалось, что более половины sORF были схожи с генами других видов.

Взяв 473 высоко экспрессированных и высоко консервативных sORF, исследователи создали мутантные растения A. thaliana с гиперэкспрессией этих генов. Неожиданно высокая доля мутантов — около 10% — демонстрировала необычные признаки: изменённый размер, бледные листья, изогнутые стебли или цветки с пятью вместо четырёх лепестков. Для сравнения, гиперэкспрессия ранее известных функциональных генов A. thaliana вызывала видимые изменения лишь у 1,4% мутантов.

Исследование показывает, что sORF потенциально оказывают значительное влияние на рост и форму растений, и подчёркивает важность этих крошечных элементов в геноме. «Дальнейшая работа будет сосредоточена на определении того, как эти гены функционируют при нормальной экспрессии», — отмечает Ханада.