Прямой перенос генов растений из хлоропластов в ядро клетки

Хлоропласты, зеленые "солнечные электростанции" растительной клетки, когда-то были самостоятельными живыми организмами. Около миллиарда лет назад они были поглощены, но не переварены более крупными клетками. С тех пор они утратили большую часть автономии: со временем бо́льшая часть их генетической информации переместилась в клеточное ядро, и сегодня хлоропласты уже не смогли бы жить вне клетки-хозяина. Ученые из группы Ральфа Бока в Институте молекулярной физиологии растений Макса Планка обнаружили, что гены хлоропластов попадают в ядро клетки прямым путем, где могут быть корректно считаны, несмотря на архитектурные различия.

Цианобактерии — одни из древнейших форм жизни и, вероятно, предшественники хлоропластов. Они не имеют настоящего ядра, но их генетическое вещество состоит из тех же четырех "строительных блоков", что и у растений, животных и человека. Поэтому гены, закодированные в ДНК хлоропластов, также могут считываться в ядре; многие гены, которые в ранней эволюции еще находились в органеллах, теперь расположены исключительно в геноме ядра. Механизм их перемещения ранее был неясен. Вероятными казались два пути: либо прямой перенос фрагментов ДНК из хлоропластов в ядро, либо перенос в форме мРНК с последующей обратной транскрипцией в ДНК.

В хлоропластах преобладает прямой перенос ДНК, но этот путь создает две проблемы:

1. Промоторы — последовательности ДНК, обеспечивающие распознавание генов. Они расположены перед генами и рекрутируют белки, необходимые для транскрипции. Однако промоторы хлоропластов не распознаются белками в ядре, поэтому аппарат считывания ДНК должен был бы игнорировать эти "пришлые" гены.
2. Корректная обработка последовательности гена. Гены состоят из нескольких модулей, разделенных некодирующими участками ДНК (интронами). Поскольку интроны мешают синтезу белка, их необходимо удалять из мРНК в процессе сплайсинга. Однако мРНК обрабатывается в ядре иначе, чем в хлоропластах, и долгое время интроны хлоропластов казались непреодолимым препятствием для правильного считывания их генов в ядре.

«Но на самом деле это не так», — подчеркивает Ральф Бок. — «Наши опыты показали, что интроны распознаются в ядре и вырезаются, даже если не всегда в тех же точках, что и в хлоропластах». Несмотря на это, образуются функциональные белки. Предполагается, что интроны даже помогают ферментам сплайсинга, сворачиваясь в стабильные структуры РНК и направляя ферменты в нужные места. Одновременно структура РНК, по-видимому, помогает рибосомам найти правильную стартовую точку для синтеза белка.

Поскольку перенос генов в ядро — чрезвычайно медленный эволюционный процесс, занявший у природы миллионы лет, исследовать его механизм до сих пор не удавалось. Однако ученым удалось "ускорить" этот перенос в лаборатории. Благодаря высокому селекционному давлению перенос генов из хлоропластов в ядро стал необходимым для выживания клеток, что сделало процесс хорошо наблюдаемым. Было установлено, что перенос происходит без участия РНК, и ДНК, по-видимому, переходит прямо из хлоропластов в ядро клетки.