Подобно тому, как повреждение ДНК может способствовать развитию таких заболеваний человека, как рак, оно также может нарушать рост, развитие и выживание растений. Каждый день растения подвергаются стрессовым воздействиям окружающей среды, таким как солнечный свет, радиация, засуха и стресс почвы — все это может повредить их ДНК. Однако они не могут убежать от опасности. Как же растения справляются со всеми этими повреждениями?
Растения полагаются на мощные системы восстановления, которые постоянно отслеживают и исправляют свои геномы. Однако то, как растения координируют эти процессы восстановления — особенно в тканях, подобных стволовым клеткам и отвечающих за будущий рост, — до сих пор остается малоизученным.
Теперь ученые Института Солка обнаружили специализированный белок, отвечающий за восстановление ДНК, который, по-видимому, действует как «дополнительный защитный слой» в растениях.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывают, что у растений развился уникальный белок, называемый YAF9B, который активируется только после повреждения ДНК и помогает защитить критически важные популяции стволовых клеток от геномной нестабильности.
«Растения уникальны тем, что то же самое, что даёт им способность расти — солнечный свет — постоянно повреждает их ДНК. Вопрос в том, как они справляются с таким уровнем повреждения ДНК», — говорит ведущий автор исследования Джули Лоу, доктор философии, профессор Института Солка.
Внутри растительных клеток ДНК плотно обернута вокруг белков, называемых гистонами. Затем покрытые ДНК гистоны упаковываются вместе, образуя плотную структуру, называемую хроматином. Хотя такая организация помогает поддерживать порядок в геноме, она также значительно затрудняет обнаружение и восстановление поврежденной ДНК, поскольку поврежденные участки становятся труднодоступными.
«Для восстановления поврежденной ДНК, — объясняет Лоу, — сначала необходимо обнаружить повреждение, а затем привлечь белки, необходимые для раскручивания хроматина и восстановления ДНК».
Аварийные ремонтные бригады: YAF9A и YAF9B
Для решения этой проблемы растения используют специализированные белки, которые действуют как аварийные системы для поврежденной ДНК. Эти белки помогают раскрыть плотно упакованный хроматин, направить механизмы восстановления к поврежденной ДНК и координировать процесс восстановления.
«Семейство белков YAF9 встречается у дрожжей, животных и растений. Но у растений развилась вторая версия, YAF9B, которая активируется именно после повреждения ДНК», — говорит первый автор исследования Нираджа Вегесна, бывшая аспирантка, работавшая в лаборатории Лоу.
YAF9A действует как белок широкого спектра действия, участвующий в восстановительной реакции всего растения, тогда как YAF9B — это специализированный белок, сконцентрированный в тканях, богатых стволовыми клетками, которые образуют новые корни, побеги и листья.
«Именно эти стволовые клетки порождают остальную часть растения. Гипотеза состоит в том, что растение вырабатывает этот фактор, чтобы помочь защитить эти клетки и дать им больше шансов на высокоточное восстановление ДНК», — добавляет Лоу.
Что же такого особенного в ремонте YAF9A и YAF9B?
Растения способны восстанавливать поврежденную ДНК несколькими способами. Один из методов, называемый негомологичным соединением концов, предпочтительнее из-за своей скорости. Подобно быстрой заплатке в экстренной ситуации, он быстро скрепляет поврежденные концы ДНК. Этот метод хорошо работает в большинстве случаев, но он сопряжен с риском внесения ошибок или мутаций в код.
Другой метод, называемый гомологично-направленной репарацией, медленнее, но гораздо точнее. Вместо простого соединения поврежденных участков ДНК, клетка тщательно восстанавливает поврежденную последовательность, используя неповрежденную копию ДНК в качестве шаблона, сохраняя исходную генетическую информацию.
«Точное восстановление ДНК имеет важное значение для поддержания стабильности генома, но оно зависит от взаимодействия многих белков внутри хроматина. Что особенно интересно в этом исследовании, так это то, что мы идентифицировали YAF9B как белок, реагирующий на повреждения ДНК и считывающий хроматин, который помогает клеткам осуществлять высокоточное восстановление ДНК, раскрывая новую инновацию, используемую растениями для защиты своих геномов. Наша следующая цель — понять, как эти хроматиновые эффекторы координируют различные этапы восстановления ДНК и как именно YAF9B способствует точному и эффективному восстановлению ДНК», — говорит Лоу.
Это открытие помочь улучшить урожайность в будущем. Современные методы редактирования генов на основе CRISPR в растениях часто запускают быстрые, но подверженные ошибкам пути репарации ДНК, что ограничивает возможности ученых по точной замене или вставке генов. Понимание того, как растения естественным образом способствуют высокоточной репарации ДНК, позволяет исследователям надеяться, что будущие работы помогут разработать более точные методы редактирования генома, а также повысить стабильность генома в критически важных тканях роста.
Теперь команда надеется понять, как тесно связанные между собой белки YAF9A и YAF9B играют разные роли в процессе репарации. Исследователи хотят выяснить, что именно позволяет YAF9B функционировать как специализированный фактор реагирования на повреждение ДНК и как эти два белка координируют различные этапы процесса репарации.
«Если мы поймем, как растения способствуют высокоточной репарации, мы, возможно, в конечном итоге сможем улучшить технологии редактирования генома у растений», — заключает Лоу.
Источник: Salk Institute. На фото: Джули Лоу, которая обнаружила, что белок YAF9B приходит на помощь при повреждении ДНК, облегчая доступ к участкам, нуждающимся в восстановлении. Источник: Salk Institute.
