Учёные раскрыли один из механизмов реакции растений на гормональные сигналы
Растения, как и другие организмы, должны динамично реагировать на различные сигналы в течение жизни. Переход между стадиями развития или изменение формы в ответ на засуху или резкий перепад температуры требует изменения экспрессии генов в белки.
В новой статье в Developmental Cell исследовательская группа под руководством биологов из Пенсильванского университета Брайана Грегори и Сян Ю определила механизм, позволяющий растениям осуществлять такую гибкую регуляцию экспрессии генов. Они детально изучили процесс, при котором гормональная сигнализация запускает удаление структуры под названием никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) с 5'-конца определённых молекул матричной РНК (мРНК). Присутствие такой «шапки» из NAD+ направляет клетку на разрушение соответствующей мРНК, предотвращая синтез белка.
«Мы наблюдали изменения в уровне NAD+-кэпирования мРНК в разных тканях растений и на разных стадиях развития», — говорит Брайан Грегори, старший автор статьи. — «Это выглядит как потенциально быстрый переключатель "вкл/выкл", который растения могут использовать для регуляции уровня РНК».
«Исследователи, работающие с клетками млекопитающих, ранее идентифицировали фермент, который выполняет аналогичное действие, удаляя эти NAD+-кэпы», — добавляет Сян Ю, первый автор статьи. — «Наше исследование первым показало этот процесс в целом живом организме».
Истоки этой работы лежат в предварительных результатах, полученных лабораторией Грегори около десяти лет назад. Изучая мутантные растения с дефектом в белке DX01 (ферменте, удаляющем NAD+ с мРНК), учёные обнаружили у них задержку роста, бледно-зелёные листья, замедленное развитие и дефекты фертильности. Тогда они также нашли накопление малых РНК, но не смогли объяснить механизм.
Прорыв произошёл несколько лет назад, когда другие учёные показали, что в клетках млекопитающих DX01 также распознаёт и удаляет NAD+-кэпы. Это побудило команду Грегори и Ю вернуться к своим исследованиям на растениях, чтобы изучить работу фермента in vivo.
Исследователи подтвердили, что DX01 действует у растений аналогично, удаляя NAD+ с транскриптов мРНК. У растений без функционального DX01 развивались ранее наблюдаемые проблемы. Секвенирование NAD+-кэпированных мРНК показало, что такие «шапки» часто встречаются у транскриптов, кодирующих белки, связанные с ответом на стресс, и с обработкой самого NAD+. Анализ подтвердил, что NAD+-кэп делает мРНК более склонными к разрушению.
Команда проверила связь со стрессовым ответом, применяя растительный гормон стресса — абсцизовую кислоту — к растениям с работающим и нефункциональным DX01. Растения с мутантным DX01 не реагировали на изменение концентрации гормона, в отличие от нормальных. Уровень NAD+-кэпирования РНК в ответ на абсцизовую кислоту динамично менялся.
«Похоже, NAD+-кэпирование тканеспецифично и реагирует по крайней мере на один конкретный физиологический сигнал», — говорит Грегори. — «Это мощный регулятор стабильности РНК, позволяющий растению дестабилизировать разные наборы мРНК в зависимости от места и сигнала».
Результаты также объяснили старое наблюдение о накоплении малых РНК у мутантов. У растений с мутантным DX01 NAD+-кэпированные мРНК превращались в малые РНК, которые также нестабильны. Учёные полагают, что это может быть запасным механизмом удаления NAD+ и избавления от некэпированных стандартным образом транскриптов.
«Они используют другой путь, создавая малые РНК, возможно, чтобы вернуть NAD+ для использования в других процессах», — говорит Ю.
NAD+ — критический компонент метаболизма, поэтому логично, что у растений есть несколько стратегий для обеспечения его доступности.
В будущем лаборатория Грегори планирует продолжить изучение NAD+-метки, в том числе выяснить, как она добавляется, а не только удаляется.
«Как только мы поймём, как её добавлять, распознавать и удалять, это даст нам возможность использовать этот процесс как инструмент для регуляции различных ответов у растений», — говорит Грегори, отмечая потенциальное применение в сельском хозяйстве.
Эти открытия могут быть полезны и для здоровья человека. Исследователи считают, что работу стоит продолжить на системах млекопитающих. Добавление и удаление NAD+-кэпа может быть вовлечено в биологию рака, поскольку аномальный метаболизм раковых клеток часто связан с нарушениями в регуляции мРНК.
«Это определённо одна из тех историй, которая напоминает мне, что наука — не спринт, а марафон», — заключает Грегори.