Учёные обнаружили мобильные малые РНК, задающие паттерн листьев у растений
Ключевой задачей в развитии листа растения является установление оси, которая делает верхнюю половину листа отличной от нижней. Эта асимметрия критически важна для функции листа: она обеспечивает формирование плоской пластинки, оптимизированной для фотосинтеза, с верхней поверхностью, специализированной для улавливания света, и нижней поверхностью, содержащей устьица для газообмена.
Было известно, что эта верхняя/нижняя ось устанавливается сигналом, исходящим из меристемы — точки роста растения. Другие сигналы, перемещающиеся между верхней и нижней сторонами листа, предположительно стабильно поддерживают эту полярную ось, давая клеткам позиционную информацию.
Группа учёных под руководством профессора Марьи Тиммерманс из Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) впервые идентифицировала один из таких позиционных сигналов. В исследовании, опубликованном 1 марта в журнале Genes and Development, они описывают семейство мобильных малых РНК, которые формируют паттерн верхней/нижней оси в листьях.
Эти малые РНК, как обнаружили учёные, генерируются на верхней поверхности молодых листьев, но перемещаются от этого источника, формируя градиент концентрации по всему листу. Этот градиент создаёт дискретные области генной активности, так что клетки в каждой половине листа развивают чёткую «верхнюю» или «нижнюю» идентичность.
«Мы знали, что малые РНК, образующиеся при вирусной инфекции, могут перемещаться из клетки в клетку, — объясняет Тиммерманс. — Но впервые показано, что эндогенные малые РНК организма также мобильны и устанавливают паттерны развития, перемещаясь через соседние клетки».
Ta-siRNAs ведут себя как морфогены
Эти эндогенные малые РНК называются trans-acting small interfering RNAs (ta-siRNAs). Они регулируют активность генов через механизм RNA interference. Благодаря их новым свойствам в формировании паттерна листа, Тиммерманс сравнивает ta-siRNAs с морфогенами — веществами, генерирующими форму. Ранее у животных были обнаружены только белковые и гормональные морфогены. Эти молекулы действуют как позиционные сигналы, эффект которых зависит от концентрации.
Команда CSHL обнаружила, что в листьях растений ta-siRNAs аналогичным образом создают градиент концентрации, который делит развивающийся лист на верхнюю и нижнюю половины с разными специализированными типами клеток.
Градиент ta-siRNAs определяет «верхи» и «низы» развивающихся листьев
Функция этих ta-siRNAs заключается в специфичном подавлении активности гена ARF3. Этот ген определяет идентичность клеток, находящихся в нижней половине листьев. Для правильного развития паттерна критически важно, чтобы ARF3 был «включён» в правильных клетках — на нижней стороне листа — и «выключен» во всех остальных.
«Без ta-siRNAs листья выглядят как иголки, потому что у них отсутствует верхняя сторона, — говорит Тиммерманс. — Но мы не понимали, как они устанавливают паттерн».
Обнаружение того, что эти молекулы РНК действуют как морфогены, решает эту загадку. Градиент концентрации ta-siRNAs от верхней к нижней стороне обеспечивает сильное подавление активности ARF3 в верхней половине листа, но слабое или почти отсутствующее — в нижней, создавая чёткую границу между участками листа с разной судьбой.
Биогенез ta-siRNAs пространственно контролируется
Помимо мобильности, уникальное распределение этих малых РНК объясняется способом их производства в листе — биохимическим процессом, включающим несколько сложных этапов.
Малые ta-siRNAs генерируются из более длинных РНК-предшественников, которые разрезаются в специфичных местах. Два клеточных компонента обеспечивают правильность разрезов: молекула микроРНК под названием miR390, которая указывает место первого разреза, и фермент ARGONAUTE7 (AGO7), который доставляет miR390 к этому месту и осуществляет разрез.
Команда CSHL обнаружила, что хотя miR390 присутствует во всех клетках листа, предшественники и ARGONAUTE7 строго ограничены только клетками двух самых верхних слоёв. Следовательно, ta-siRNAs генерируются исключительно в этих верхних клеточных слоях, откуда они перемещаются на нижнюю сторону листа, накапливаясь в виде градиента.
Таким образом, помимо идентификации первого примера морфогеноподобного сигнала малой РНК, команда Тиммерманс также показала, что локализация различных биохимических компонентов, необходимых для активности малых РНК, может влиять на формирование паттерна. Вместе эти открытия объясняют, как мобильные малые РНК могут генерировать паттерны в процессе развития.