Исследование микро-РНК открывает путь к улучшению сельскохозяйственных культур

Микро-РНК могут повысить устойчивость растений к засухе, засолению, патогенам и другим стрессам. Однако исследование, опубликованное в Nature Plants, показывает, как много мы не знали о сложных процессах, которые растения используют для их производства.

Микро-РНК — это небольшие молекулы, которые могут направлять белки для снижения экспрессии генов. Создание искусственных версий позволяет ученым воздействовать на конкретные гены для улучшения сельскохозяйственных культур.

Используя точные мутации и продуманный экспериментальный дизайн, исследователи из Texas A&M AgriLife переоценили ландшафт микро-РНК в модельном организме Arabidopsis thaliana. Они обнаружили, что менее половины из них были корректно идентифицированы как микро-РНК, в то время как остальные либо ошибочно классифицированы, либо требуют дальнейшего изучения.

Десятилетние поиски

Микро-РНК имеют длину около 21–24 нуклеотидов, но их предшественники в растениях отличаются разнообразием форм и размеров. Это затрудняло определение ключевых особенностей, важных для их процессинга.

Около 10 лет назад лаборатория Сянжэня Чжана обнаружила связь между петлей в структуре предшественника микро-РНК и сайтом первого разреза. Этот начальный разрез важен, так как определяет первый нуклеотид зрелой молекулы микро-РНК, что влияет на её правильное нацеливание в клетке.

Однако из 326 предполагаемых предшественников микро-РНК в Arabidopsis thaliana лишь немногие имели идеальную петлю согласно вычислительным моделям. Эти модели, основанные на чистой химии и свободной энергии, не могли объяснить, почему столь разнообразные предшественники дают продукты одного размера.

Неожиданные результаты

Чтобы проверить предшественники микро-РНК непосредственно в растениях, исследователи создали высокоспецифичные мутации в белке дицер (dicer), который отвечает за разрезание предшественника микро-РНК. В норме этот белок действует как две «руки», которые удерживают двуцепочечную РНК и разрезают её в двух сайтах одновременно.

«Мы внесли точечные мутации в двух отдельных участках белка дицер, чтобы сделать его полуактивным, — объяснил Синсин Янь. — Таким образом, он мог разрезать только одну цепь и останавливаться. Это позволило нам зафиксировать промежуточные продукты предшественника микро-РНК и определить сайты начального процессинга и первый нуклеотид».

Результаты показали, что только 147 из 326 предполагаемых предшественников микро-РНК достоверно взаимодействуют с белком дицер, что подтверждает их статус настоящих предшественников микро-РНК. 81 предшественник не взаимодействовал вовсе, что указывает на необходимость их переклассификации в другой тип РНК. Около 100 требуют дальнейшего изучения.

Команда также использовала передовые методы высокопроизводительного секвенирования и новый вычислительный подход для картирования структур предшественников микро-РНК в естественных клеточных условиях. Оказалось, что у ~95% из 147 подлинных молекул микро-РНК структуры в клетках отличались от компьютерных предсказаний.

Будущее

Исследование не только уточнило подлинные молекулы микро-РНК в Arabidopsis thaliana, но и предоставило эффективный экспериментальный дизайн для повторения анализа в других культурах и даже у животных. Открытия также помогли создать обновленные рекомендации для конструирования искусственных микро-РНК, открывая путь к улучшению таких культур, как кукуруза, пшеница, соя и рис.

«Это исследование предоставляет ресурсы для широкого применения, — сказал Сянжэнь Чжан. — Теперь мы можем использовать его, чтобы пересмотреть данные по другим культурам, исправить ошибки и увидеть, что ещё можно сделать с этим инструментом».