Дорожная карта регуляции генов у растений
Впервые исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США разработали метод для картирования регуляторной роли транскрипционных факторов — белков, играющих ключевую роль в экспрессии генов и определяющих физиологические признаки растений, — в масштабе всего генома. Их работа раскрывает беспрецедентные данные о генных регуляторных сетях и создаёт новую библиотеку ДНК-компонентов для оптимизации генной инженерии растений.
"Транскрипционные факторы регулируют такие процессы, как рост растений, урожайность и архитектура корневой системы", — пояснил ведущий автор исследования в журнале Cell Systems Никлас Хуммел. "Расшифровав их регуляторную роль, мы можем найти новые стратегии для создания более засухоустойчивых биоэнергетических культур и других растений с улучшенными агрономическими признаками".
Хуммел и старший автор исследования Патрик Ши поставили задачу разработать метод для одновременной характеристики большого числа транскрипционных факторов в растении. Хотя подобные методы существуют для других модельных организмов (животных, насекомых, грибов), их применение к растениям было затруднено из-за сложности последних и наличия клеточных стенок.
"До сих пор такие исследования в растениях проводились фрагментарно", — отметил Ши. "Мы же попытались найти способ картировать активность сотен этих транскрипционных факторов в растении одновременно".
Для решения этой задачи Хуммел и Ши использовали ранее разработанную ими систему временной экспрессии для создания инструментов синтетической биологии в растениях. С её помощью они впервые в синтетической биологии растений охарактеризовали параллельно сеть из более чем 400 эффекторных доменов транскрипционных факторов в табаке Nicotiana benthamiana.
Затем они провели обширный анализ литературы, чтобы сопоставить функции идентифицированных ими en masse транскрипционных факторов с данными предыдущих работ, изучавших их функции по отдельности.
"Мы смогли показать, что наши данные, полученные при параллельном изучении, хорошо согласуются с результатами индивидуальных исследований роли транскрипционных факторов", — сказал Ши. "Это даёт нам уверенность, что наш набор данных можно интегрировать в генные регуляторные сети для выявления ключевых транскрипционных факторов, важных для конструирования признаков растений".
Неожиданным аспектом исследования стало обнаружение сходных механизмов транскрипционной регуляции у эволюционно далёких эукариот. Изучив функции регуляции транскрипционных факторов у растений и дрожжей, исследователи обнаружили общие черты, что указывает на глубоко консервативные механизмы регуляции генов.
"Мы были удивлены, увидев, что многие регуляторные домены транскрипционных факторов функционируют одинаково у растений и дрожжей", — сказал Хуммел. "Мы также продемонстрировали, как алгоритмы машинного обучения, обученные на наборах данных дрожжей, могут работать для идентификации регуляторных доменов у растений".
Результаты исследования важны для сельского хозяйства и устойчивого развития. Понимание работы транскрипционных факторов, играющих ключевую роль в определении важных признаков растений, поможет учёным разрабатывать стратегии для улучшения сельскохозяйственных практик.
В перспективе исследователи планируют расширить свой подход для изучения всех транскрипционных факторов у модельного растения Arabidopsis. Это ускорит понимание специфичной для растений регуляции генов.
"Наша способность конструировать и модифицировать растения зависит от базового понимания того, как регулируются различные признаки", — заключил Ши. "Понимая, какие ключевые транскрипционные факторы могут быть главными регуляторами интересующих нас признаков, мы можем определить новые стратегии для улучшения признаков, важных для биоэнергетики".