_ Biologi de plante descoperă moduri surprinzătoare în care factorii de transcripție reglează dezvoltarea plantelor

În toate sistemele vii complexe, multicelulare, cum ar fi plantele și oamenii, există un set de elemente genetice care poate fi asemănat cu planurile, instrumentele și personalul specializat de pe un șantier de construcții pentru o dezvoltare în expansiune.

Biologii vegetali precum Aman Husbands de la Universitatea din Pennsylvania studiază o familie de subcontractori calificați, cunoscută sub numele de HD- Factori de transcripție ZIPIII (TF).

Acești subcontractanți sunt însărcinați să decidă ce planuri, sau gene, să urmeze în timp ce ghidează dezvoltarea formei și a plantei. caracteristici, cum ar fi instalațiile sanitare – analoge cu sistemul vascular – și componentele structurale precum rădăcinile și formele frunzelor.

Cu toate acestea, în ciuda faptului că partajează planuri suprapuse și acces la aceleași instrumente, fiecare membru al familiei HD-ZIPIII, cum ar fi CORONA (CNA) și PHABULOSA (PHB), are un mod unic de a interpreta aceste planuri și de a folosi instrumentele lor. Aceste diferențe duc la rezultate distincte și măsurabile în structurile pe care le ajută să le creeze.

„Acum, întrebarea de un milion de dolari”, spune Husbands, „este: „Cum obțineți aceste rezultate divergente funcțional?”

Într-o lucrare publicată în Nature Communications, Husbands și echipa s-au concentrat pe doi paralogi aproape identici, PHB și CNA, pentru a descoperi mecanismul din spatele acestui lucru. divergență.

„Am descoperit că, în timp ce acești doi factori de transcripție se leagă de aceleași regiuni ale ADN-ului, ei reglează gene diferite, rezultând rezultate unice de dezvoltare”, spune Husbands.

„Acest lucru. descoperirea surprinzătoare indică o caracteristică mică, dar crucială a factorilor de transcripție: domeniul lor START", o regiune de legare a lipidelor din cadrul TF, pe care cercetătorii o aseamănă cu un maistru. instrument de luare a deciziilor, care dictează modul în care planurile sunt executate la fiecare site.

Prin schimbul domeniilor START ale PHB și CNA, cercetătorii au demonstrat că această singură schimbare le-ar putea modifica funcția, rescriind în mod eficient instrucțiunile de dezvoltare.

„Implicațiile sunt destul de semnificative, nu doar pentru alți biologi de plante și cercetători din acest spațiu”, spune primul autor Ashton Holub, fost cercetător postdoctoral în Husbands Lab.

„În biologia sintetică sau terapia genică, factorii de transcripție cu efecte în afara țintei pot provoca unele consecințe nedorite, astfel încât, prin înțelegerea și capacitatea de a manipula mecanisme precum domeniul START, putem într-o zi ajustați instrumentele genetice pentru a minimiza riscurile și pentru a obține rezultate precise.”

Cercetătorii au explorat inițial divergența funcțională dintre CNA și PHB prin efectuarea qPCR, o tehnică cantitativă utilizată pentru a măsura abundența moleculelor de ARN și, prin extensie, nivelurile de expresie a genelor.

Inițial, s-au concentrat pe examinarea a două ținte genomice pe care se așteptau ca CNA și PHB să le regleze pe baza pe cercetările anterioare ale echipei și ipotezele despre TF bazate pe alte literaturi.

Cu toate acestea, spune Holub, rezultatele qPCR au dezvăluit un neașteptat găsirea. Deși un tip de test bazat pe locație (ChIP-qPCR) a constatat că CNA și PHB se leagă de aceleași site-uri țintă, un altul care examinează efectele activității de legare (RT-qPCR) a arătat că nu au produs întotdeauna un efect de reglementare. .

„Am observat legături în aceste puncte, dar nicio modificare a expresiei genelor”, spune el, „ceea ce ne-a forțat să gândim mai larg și să explorăm întreaga genomului, mai degrabă decât doar câteva site-uri.”

Pentru a aborda acest paradox, au apelat la ChIP-seq pentru a mapa în mod sistematic toate situsurile de legare ale CNA și PHB de-a lungul genomului, permițând astfel cercetătorilor să vadă peisajul mai larg al locurilor în care TF-urile erau obligatorii. Pentru a completa acest lucru, ei au folosit ARN-seq (profilarea transcriptomului) pentru a măsura schimbările în expresia genelor la o scară la nivel de genom.

Această combinație de tehnici a permis echipei să determine nu doar unde se leagă CNA și PHB, ci și ce gene au fost activate sau reprimate ca urmare.

Holub spune, „qPCR a arătat ne-a anomalia, iar ChIP-seq și ARN-seq ne-au oferit povestea completă.”

Rezultatele au îndreptat cercetătorii către o caracteristică cheie a CNA și PHB: START-ul lor domeniu, o parte a proteinelor care leagă lipidele, care le conferă anumite abilități transcripționale.

„Unul dintre lucrurile interesante despre aceste TF-uri este că au acest domeniu START, pe care îl vedeți și în alte proteine ​​din întreaga lume. arborele vieții”, spune Husbands.

„Aceste domenii sunt importante pentru dezvoltare, răspunsuri la stres și chiar boli Când le-am văzut în aceste TF-uri au emis ipoteza că acestea sunt motivul pentru care CORONA și PHB ar putea funcționa diferit.”

Pentru a testa această ipoteză, cercetătorii au generat proteine ​​himerice CNA schimbând domeniul său START cu cele de la PHB sau chiar de la specii separate de sute de milioane de ani de evoluție.

„Experimentele noastre au confirmat că domeniul START a fost determinantul critic”, spune Sarah Choudury, cercetător postdoctoral în cadrul Laboratorul soților. „Nu locul unde s-au legat aceste TF s-a schimbat, ci modul în care au reglementat genele de care se legau.”

Prin ștergerea, mutarea și schimbarea domeniilor START, cercetătorii au demonstrat că această regiune mică a acționat ca un instrument de luare a deciziilor, care dictează dacă o genă a fost activată sau suprimată. Chiar și modificările mici în domeniul START au avut un impact semnificativ, ilustrând modul în care acest mecanism contribuie la diversitatea reglării genelor.

În observarea modului în care domeniul START permite unui singur set de site-uri de legare să genereze o gamă largă de sisteme de dezvoltare. instrucțiuni, Husbands a răsturnat familiara expresie latină „e pluribus unum” (din multe, unul) pe cap, remarcând: „Din unul, mulți. Dintr-o rețea legată, puteți obține o diversitatea programelor de reglementare.”

Soții și echipa explorează acum modul în care acest mecanism funcționează în alte familii de factori de transcripție, precum și în specii dincolo de modelul utilizat pentru această cercetare, Arabidopsis thaliana.

„Testăm dacă acest tip de reglementare diferențială este o caracteristică generalizabilă în evoluție”, spune Holub. „Dacă se întâmplă în plante, există toate motivele să credem că s-ar putea întâmpla și la animale.”

Echipa vrea să înțeleagă detaliile mai fine despre modul în care domeniile START interacționează cu alte componente celulare pentru a influența reglarea genelor. . „Sunt atât de multe pe care încă nu le știm”, spune Choudury.

„Dar factorii de transcripție care nu au domenii START? Există mecanisme paralele în joc? Și cum simt aceste domenii și cum răspund la mediu?"

(Fluierul)