Biolozi sa Vašingtonskog univerziteta u Sent Luisu otkrili su poreklo neobičnog dupliranja koje biljkama daje više načina da zamene uputstva koja su kodirana u njihovoj DNK. Ovo istraživanje bi moglo pomoći naučnicima da iskoriste postojeće sisteme biljke kako bi favorizovali osobine koje je čine otpornijom na promene životne sredine, poput toplote ili stresa od suše.
Studija koju je vodio Ksuehua Zhong, profesor biologije u oblasti umetnosti i nauke, objavljena je 6. novembra u časopisu Napredak nauke.
Zhongovo novo istraživanje fokusira se na metilaciju DNK, normalan biološki proces u živim ćelijama gde se male hemijske grupe koje se nazivaju metil grupe dodaju DNK. Ova aktivnost kontroliše koji geni se uključuju i isključuju, što zauzvrat utiče na različite osobine – uključujući i način na koji organizmi reaguju na svoje okruženje.
Deo ovog posla uključuje utišavanje ili isključivanje određenih delova DNK koji se kreću unutar genoma organizma. Ovi takozvani geni za skakanje, ili transpozoni, mogu prouzrokovati štetu ako se ne kontrolišu. Ceo proces je regulisan enzimima, ali sisari i biljke su razvili različite enzime za dodavanje metil grupa.
„Sisari imaju samo dva glavna enzima koji dodaju metil grupe u jednom kontekstu DNK, ali biljke zapravo imaju više enzima koji to rade u tri DNK konteksta“, rekao je Zhong, koji je dekanov ugledni profesor i direktor programa za biološke nauke o biljkama i mikrobima. VashU. „Ovo je fokus naše studije. Pitanje je — zašto su biljkama potrebni dodatni enzimi za metilaciju?“
Gledajući unapred, Zhongovo istraživanje moglo bi utrti put za inovacije u poljoprivredi poboljšanjem otpornosti useva. „Određeni geni ili kombinacije gena doprinose određenim karakteristikama ili osobinama“, objasnio je Zhong. „Ako tačno pronađemo kako su regulisani, onda možemo pronaći način da inoviramo našu tehnologiju za poboljšanje useva.
Nova studija je usredsređena na dva enzima koja se specifično nalaze u biljkama: CMT3 i CMT2. Oba enzima su odgovorna za dodavanje metil grupa DNK, ali CMT3 je specijalizovan za delove DNK koji se nazivaju CHG sekvence, dok je CMT2 specijalizovan za različite delove zvane CHH sekvence.
Uprkos funkcionalnim razlikama, oba enzima su deo iste porodice hromometilaze (CMT), koja je evoluirala kroz događaje umnožavanja koji biljkama obezbeđuju dodatne kopije genetskih informacija.
Koristeći uobičajeni model biljke pod nazivom Arabidopsis thaliana, ili thale cress, Zhong i njen tim istražili su kako su ovi duplicirani enzimi evoluirali različite funkcije tokom vremena. Otkrili su da je negde duž evolucione vremenske linije CMT2 izgubio svoju sposobnost da metiluje CHG sekvence. To je zato što mu nedostaje važna aminokiselina koja se zove arginin.
„Arginin je poseban jer ima naboj“, rekla je Jia Gvee, diplomirani student biologije i prvi autor studije. „U ćeliji je pozitivno naelektrisana i tako može formirati vodonične veze ili druge hemijske interakcije sa, na primer, negativno naelektrisanom DNK.“
Međutim, CMT2 ima drugačiju aminokiselinu – valin. „Valin nije napunjen, tako da nije u stanju da prepozna CHG kontekst kao CMT3. To je ono što mislimo da doprinosi razlikama između dva enzima“, rekao je Gvee.
Da bi potvrdila ovu evolucionu promenu, Zhong laboratorija je koristila mutaciju da vrati arginin u CMT2. Kao što su očekivali, CMT2 je bio u stanju da izvrši i CHG i CHH metilaciju. Ovo sugeriše da je CMT2 prvobitno bio duplikat CMT3, rezervnog sistema koji je pomogao da se olakša opterećenje kako je DNK postala složenija.
„Ali umesto da jednostavno kopira originalnu funkciju, razvila je nešto novo“, objasnio je Zhong.
Ovo istraživanje je takođe pružilo uvid u jedinstvenu strukturu CMT2. Enzim ima dug, fleksibilan N-terminal koji kontroliše sopstvenu stabilnost proteina. „Ovo je jedan od načina na koji su biljke evoluirale za stabilnost genoma i za borbu protiv stresa u životnoj sredini“, rekao je Zhong. Ova karakteristika može objasniti zašto je CMT2 evoluirao u biljkama koje rastu u tako širokom spektru uslova širom sveta.
Veliki deo podataka za ovu studiju potiče iz projekta 1001 Genomes, koji ima za cilj da otkrije varijacije sekvence celog genoma u sojevima A. thaliana iz celog sveta.
„Idemo dalje od laboratorijskih uslova“, rekao je Zhong. „Razmatramo sve divlje akcesije u biljkama koristeći ovaj veći skup podataka.
Ona veruje da je deo razloga zašto je A. thaliana evoluirala da napreduje uprkos stresu okoline jeste diverzifikacija koja se dešava tokom procesa metilacije, uključujući one koji skaču transpozone. „Jedan skok bi mogao pomoći vrstama da se nose sa teškim uslovima životne sredine.“
