Посев семян защиты

Посев семян защиты

Исследование Солка показало, что стресс вызывает широко распространенные эпигенетические изменения, которые способствуют устойчивости к болезням.

ЛА ХОЛЛА, Калифорния — Долгое время считалось, что метилирование, важная часть нормального развития организма, представляет собой статическую модификацию ДНК, которую не могут изменить условия окружающей среды. Однако новые результаты исследователей из Института биологических исследований Солка предполагают, что ДНК организмов, подвергшихся стрессу, претерпевает изменения в паттернах метилирования ДНК, которые изменяют то, как регулируются гены.

Ученые обнаружили, что воздействие патогенных бактерий вызвало широкомасштабные изменения в эпигенетическом коде растения, дополнительный слой биохимических инструкций в ДНК, которые помогают контролировать экспрессию генов. Эпигенетические изменения были связаны с активностью генов, ответственных за координацию реакции растений на стресс, что позволяет предположить, что эпигеном может помочь организмам развить устойчивость к патогенам и другим стрессовым факторам окружающей среды.

Исследователи Солка заразили две линии растений бактериями, чтобы определить, играет ли метилирование, тип эпигенетической химической модификации ДНК, роль в реакции растения на стресс.

Лист слева, взятый с нормального растения через пять дней после заражения, показывает системы болезней. Лист справа, взятый из мутантного растения, неспособного к метилированию, не проявляет признаков болезни, что позволяет предположить, что метилирование действует в ответ на стресс.

Изображение: предоставлено Робертом Х. Доуэном.

«Это означает, что эпигеном может быть не просто статичным набором инструкций, но и способом переписывать эти инструкции на основе опыта», — говорит Джозеф Экер, профессор Солка Лаборатория геномного анализа, который руководил исследовательской группой. «Наши выводы в сочетании с выводами других исследователей доказывают, что жизненный опыт оставляет отпечаток в нашей ДНК».

В исследовании, опубликованном 7 августа в журнале Труды Национальной академии наукЭкер и его коллеги изучали, как метилирование ДНК регулирует иммунную систему человека. Arabidopsis thaliana растение. Метилирование — это биохимический процесс, который, среди прочего, подавляет экспрессию «прыгающих генов», называемых транспозонами, которые со временем внедряются в геном. Используя технологии полногеномного секвенирования, исследователи обнаружили широкий спектр изменений метилирования в ответ растения на бактериальную инфекцию и провели ряд анализов, чтобы определить, как эти изменения метилирования влияют на экспрессию генов.

«Из предыдущих исследований мы знаем, что экспрессия нескольких генов связана с изменениями метилирования в ответ на стресс», — говорит первый автор Роберт Доуэн, который работал над проектом в Солке с Экером, а сейчас работает в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне. «Наши результаты, однако, показывают, что воздействие стресса на растение вызывает множество изменений метилирования, которые помогают растению защищаться от вторжения патогенов».

Растения используют сложный ряд защитных механизмов для ограничения роста паразитических бактерий при заражении, стимулируя различные гормональные сигналы, которые запускают изменения в сетях экспрессии генов. Открытия Солка и другие недавние исследования предполагают, что эти клеточные защитные реакции задействуют механизм метилирования ДНК, чтобы передать контроль над сетями экспрессии генов. Эпигенетические изменения в генетическом материале, включая изменения в паттернах метилирования ДНК и модификации гистонов (белков, играющих ключевую роль в регуляции генов), могут изменять экспрессию гена без изменения его последовательности ДНК. Кроме того, молекулы, называемые малыми интерферирующими РНК (миРНК), тесно связаны с метилированием ДНК, особенно в генах прыжка, где эти миРНК управляют процессом метилирования. Удивительно, но исследователи обнаружили, что уровни этих siRNAs также изменяются во время инфекции на специфических транспозонах и соответствуют активации этих мобильных фрагментов ДНК. Эти данные иллюстрируют динамическую природу эпигенома в ответ на стресс.

Выводы Солка могут иметь широкое значение для сельского хозяйства, включая разработку моделей метилирования ДНК растений для получения устойчивых к патогенам сельскохозяйственных культур и сведения к минимуму воздействия пестицидов. Эти прикладные технологии вызывают большой интерес, поскольку от 30 до 40 процентов однолетних культур ежегодно теряются из-за патогенов, что обходится примерно в 500 миллиардов долларов.

Недавнее исследование, опубликованное в Физиология растений предполагает, что память об условиях окружающей среды может передаваться из поколения в поколение, поскольку защитные механизмы растений закладываются в потомстве растений, родители которых уже подвергались воздействию патогенов. «Хотя это явление плохо изучено, оно представляет большой интерес и интенсивно изучается в полевых условиях», — говорит Доуэн. «Мы считаем, что наши результаты могут предоставить основу для прямого тестирования того, передаются ли наблюдаемые нами изменения метилирования потомству или может ли аналогичный механизм происходить в клетках человека».

Другими исследователями, участвовавшими в исследовании, были Маттиа Пелиццола, Роберт Дж. Шмитц, Райан Листер и Джозеф Р. Нери из Института Солка; и Джилл М. Доуэн и Джек Э. Диксон из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Работа была поддержана Национальные институты здоровья (AI060662), Фонд Катарины, Калифорнийский институт регенеративной медицины, Фонд Мэри К. Чепмен, Медицинский институт Говарда Хьюза и Фонд Гордона и Бетти Мура.

О Солковском институте биологических исследований:
Институт биологических исследований Солка является одним из выдающихся в мире институтов фундаментальных исследований, где всемирно известные преподаватели исследуют фундаментальные вопросы науки о жизни в уникальной, совместной и творческой среде. Сосредоточенные как на открытиях, так и на наставничестве будущих поколений исследователей, ученые Солка вносят новаторский вклад в наше понимание рака, старения, болезни Альцгеймера, диабета и инфекционных заболеваний, изучая неврологию, генетику, клеточную и растительную биологию и смежные дисциплины.

Достижения факультета были отмечены многочисленными наградами, в том числе Нобелевскими премиями и членством в Национальной академии наук. Основанный в 1960 году пионером вакцины против полиомиелита Джонасом Солком, доктором медицины, Институт является независимой некоммерческой организацией и памятником архитектуры.