Как растения компенсируют потерю генов

Исследование под руководством Косукэ Ханады из Центра наук о растениях RIKEN в Йокогаме показало, что в метаболических сетях модельного растения Arabidopsis thaliana (рис. 1) экспериментально "нокаутированные" гены компенсируются дублирующими генами или альтернативными синтетическими путями.

Нокаут генов часто не оказывает очевидного влияния на биологические характеристики организма (фенотип), потому что их функцию берут на себя дублирующие гены или альтернативные пути, позволяющие обойти последствия потери гена.

Для метаболических продуктов исследования этих механизмов были ограничены дрожжами. Поэтому команда Ханады оценила относительную важность этих механизмов у Arabidopsis. "Это растение идеально подошло для наших целей, поскольку для него создано множество мутантов с нокаутом генов, и известны многие его метаболические сети", — объясняет Ханада.

Для изучения устойчивости метаболических сетей Arabidopsis к потере генов исследователи индивидуально нокаутировали около 2000 высокоэкспрессируемых генов, а затем с помощью высокопроизводительного анализа количественно определили 35 метаболических продуктов в семенах мутантных растений.

Они сравнили, что происходит с продукцией метаболитов при нокауте генов с дубликатами и без них. Оцениваемые метаболиты включали 17 незаменимых аминокислот (первичные метаболиты), встречающихся у всех организмов, и 18 вторичных метаболитов — глюкозинолатов, производимых специфически Arabidopsis и её родственниками.

Нокаут генов без копий или генов с лишь отдалённо родственными "дубликатами", как правило, оказывал большее влияние на метаболизм, чем нокаут генов, имеющих более близкие копии, возникшие в результате недавних событий дупликации генов. "Похоже, что только недавно дублированные гены играют значительную роль в функциональной компенсации метаболитов у Arabidopsis", — говорит Ханада.

Анализируя структуру метаболической сети Arabidopsis, исследователи обнаружили, что первичные метаболиты чаще, чем вторичные, синтезируются альтернативными биохимическими путями.

Первичные метаболиты с большей вероятностью, чем вторичные, необходимы для выживания растения. Однако, к удивлению, учёные обнаружили, что дублирующие гены чаще функционально компенсировали экспериментально вызванную потерю гена в синтезе вторичных метаболитов, чем в синтезе первичных. Это контрастировало с их предыдущей работой, которая показала, что в целом более серьёзные фенотипические эффекты у Arabidopsis имеют тенденцию лучше компенсироваться дупликацией генов, чем менее серьёзные.

Ханада предполагает, что существование множества альтернативных путей синтеза первичных метаболитов делает эти конкретные сети Arabidopsis высоко устойчивыми к потере отдельных генов.

"Наши результаты проливают ценный новый свет на взаимосвязь ген–фенотип, закладывая основу для новых теоретических моделей в системной биологии", — говорит Ханада.