De zaden van verdediging planten

De zaden van verdediging planten

Salk-onderzoek vindt dat stress wijdverspreide epigenetische veranderingen veroorzaakt die helpen bij ziekteresistentie

LA JOLLA, CA - Lang werd gedacht dat methylering, een cruciaal onderdeel van de normale ontwikkeling van organismen, een statische modificatie van DNA was die niet kon worden veranderd door omgevingsfactoren. Nieuwe bevindingen van onderzoekers van het Salk Institute for Biological Studies suggereren echter dat het DNA van organismen die aan stress worden blootgesteld, veranderingen ondergaat in DNA-methylatiepatronen die de manier veranderen waarop genen worden gereguleerd.

De wetenschappers ontdekten dat blootstelling aan een pathogene bacterie wijdverspreide veranderingen veroorzaakte in de epigenetische code van een plant, een extra laag biochemische instructies in het DNA die de genexpressie helpen beheersen. De epigenetische veranderingen waren gekoppeld aan de activiteit van genen die verantwoordelijk zijn voor het coördineren van de reactie van een plant op stress, wat suggereert dat het epigenoom organismen kan helpen weerstand te ontwikkelen tegen ziekteverwekkers en andere omgevingsstressoren.

De Salk-onderzoekers infecteerden twee rijen planten met een bacterie om te bepalen of methylatie, een soort epigenetische chemische modificatie van DNA, een rol speelt in de reactie van een plant op stress.

Het blad links, genomen van een normale plant vijf dagen na infectie, toont ziektesystemen. Het blad aan de rechterkant, afkomstig van een gemuteerde plant die niet in staat is tot methylering, vertoont geen tekenen van ziekte, wat suggereert dat methylering werkt bij stressreacties.

Afbeelding: met dank aan Robert H. Dowen

"Dit betekent dat het epigenoom niet alleen een statische reeks instructies is, maar ook een manier om die instructies te herschrijven op basis van ervaring", zegt Joseph Ekker, een professor in Salk's Laboratorium voor genomische analyse, die het onderzoeksteam leidde. "Onze bevindingen, gecombineerd met de bevindingen van andere onderzoekers, vormen de stelling dat levenservaringen een stempel drukken op ons DNA."

In de studie, gepubliceerd op 7 augustus in de Proceedings van de National Academy of Sciences, bestudeerden Ecker en zijn collega's hoe DNA-methylatie het immuunsysteem van de Arabidopsis thaliana plant. Methylering is een biochemisch proces dat onder andere de expressie onderdrukt van 'springende genen', transposons genaamd, die in de loop van de tijd in het genoom zijn ingebouwd. Met behulp van genoombrede sequentietechnologieën vonden de onderzoekers een breed scala aan methylatieveranderingen in de reactie van de plant op een bacteriële infectie en voerden ze een verscheidenheid aan analyses uit om te bepalen hoe deze methylatieveranderingen de genexpressie veranderen.

"Uit eerdere studies weten we dat de expressie van een paar genen gekoppeld is aan methyleringsveranderingen als reactie op stress", zegt eerste auteur Robert Dowen, die samen met Ecker aan het project in Salk werkte en nu bij het Massachusetts General Hospital in Boston is. "Onze bevindingen laten echter zien dat het blootstellen van een plant aan stress een groot aantal methyleringsveranderingen veroorzaakt die de plant helpen zich te verdedigen tegen binnendringende ziekteverwekkers."

Planten gebruiken een geavanceerde reeks verdedigingsmechanismen om de groei van parasitaire bacteriën na infectie te beperken door verschillende hormonale signalen te stimuleren die veranderingen in genexpressienetwerken teweegbrengen. De Salk-bevindingen en andere recente studies suggereren dat deze cellulaire verdedigingsreacties de DNA-methyleringsmachinerie inschakelen om controle over genexpressienetwerken te geven. Epigenetische veranderingen in het genetisch materiaal, waaronder veranderingen in DNA-methylatiepatronen en modificaties aan histonen (eiwitten die een sleutelrol spelen in genregulatie), kunnen de expressie van een gen veranderen zonder de DNA-sequentie te veranderen. Bovendien zijn moleculen die kleine interfererende RNA's (siRNA's) worden genoemd nauw verbonden met DNA-methylatie, vooral bij de springende genen, waar deze siRNA's het methyleringsproces sturen. Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat de niveaus van deze siRNA's ook veranderen tijdens infectie bij specifieke transposons en overeenkomen met activering van deze mobiele DNA-fragmenten. Deze bevindingen illustreren de dynamische aard van het epigenoom als reactie op stress.

De Salk-bevindingen kunnen brede implicaties hebben voor de landbouw, waaronder het manipuleren van de DNA-methylatiepatronen van planten om ziekteverwekkerresistente gewassen te genereren en blootstelling aan pesticiden te minimaliseren. Deze toepassingstechnologieën zijn van groot belang, aangezien elk jaar meer dan 30 tot 40 procent van de jaarlijkse gewassen verloren gaat aan ziekteverwekkers, wat ongeveer 500 miljard dollar kost.

Een recente studie gepubliceerd in Plantenfysiologie suggereert dat de herinnering aan omgevingscondities transgenerationeel kan worden doorgegeven, aangezien de afweer van planten wordt geprimed in het nageslacht van planten waarvan de ouders al zijn blootgesteld aan ziekteverwekkers. "Hoewel dit fenomeen slecht wordt begrepen, is het van groot belang en wordt het intensief bestudeerd in het veld", zegt Dowen. "We denken dat onze bevindingen een raamwerk kunnen bieden om direct te testen of de methyleringsveranderingen die we hebben waargenomen worden doorgegeven aan het nageslacht of dat een soortgelijk mechanisme in menselijke cellen kan voorkomen."

Andere onderzoekers van het onderzoek waren Mattia Pelizzola, Robert J. Schmitz, Ryan Lister en Joseph R. Nery van het Salk Institute; en Jill M. Dowen en Jack E. Dixon van de Universiteit van Californië in San Diego.

Het werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (AI060662), de Catharina Stichting Californisch Instituut voor Regeneratieve Geneeskunde Mary K. Chapman-stichting Howard Hughes Medical Institute en Gordon en Betty Moore Foundation.

Over het Salk Instituut voor Biologische Studies:
Het Salk Institute for Biological Studies is een van 's werelds meest vooraanstaande instellingen voor fundamenteel onderzoek, waar internationaal gerenommeerde faculteiten fundamentele levenswetenschappelijke vragen onderzoeken in een unieke, collaboratieve en creatieve omgeving. Salk-wetenschappers zijn zowel gericht op ontdekking als op het begeleiden van toekomstige generaties onderzoekers en leveren baanbrekende bijdragen aan ons begrip van kanker, veroudering, Alzheimer, diabetes en infectieziekten door neurowetenschappen, genetica, cel- en plantenbiologie en aanverwante disciplines te bestuderen.

Faculteitsprestaties zijn erkend met tal van onderscheidingen, waaronder Nobelprijzen en lidmaatschappen van de National Academy of Sciences. Het instituut, opgericht in 1960 door poliovaccinpionier Jonas Salk, MD, is een onafhankelijke non-profitorganisatie en architectonisch monument.