Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Р. Найт
«Смотри, что у тебя внутри». Глава из книги


К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Н. Резник
Как черепахи нарыли себе панцирь


Интервью с Б. Янишем
Наследники Поппера


А. Гуков
Крупные животные Арктики: сколько их осталось?


А. Огнёв
Откуда жизнь? Еще теплее!


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


А. Бердников
Вдоль по лунной дорожке


В. Бабицкая, С. Горбунов
Как и зачем птицы общаются с охотниками за медом


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир







Главная / Новости науки версия для печати

Растения заимствуют гены у «геномных паразитов»


Арабидопсис, любимое растение молекулярных биологов, внимательно следит за колебаниями освещенности при помощи сложной системы светочувствительных белков. Как выяснилось, важнейшую роль в этой системе играют гены прирученных транспозонов. (Фото с сайта www.utoronto.ca)
Арабидопсис, любимое растение молекулярных биологов, внимательно следит за колебаниями освещенности при помощи сложной системы светочувствительных белков. Как выяснилось, важнейшую роль в этой системе играют гены прирученных транспозонов. (Фото с сайта www.utoronto.ca)

Американские генетики обнаружили, что ключевые гены-регуляторы, обеспечивающие адекватную реакцию растений на изменения освещенности, были заимствованы предками цветковых растений у мобильных генетических элементов — транспозонов. Открытие еще раз продемонстрировало важнейшую эволюционную роль подвижных участков ДНК, традиционно считавшихся «геномными паразитами».

«Элементы» не раз сообщали о новых открытиях генетиков, показывающих важнейшую роль подвижных генетических элементов в эволюции организмов (см. ссылки внизу). Мобильные участки ДНК — транспозоны и ретротранспозоны, имеющиеся в геномах большинства организмов от бактерий до человека включительно, придают геномам эволюционную пластичность (подробнее об этом см. в заметке У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007).

В простейшем случае мобильный элемент представляет собой короткий участок ДНК, на концах которого расположены так называемые обращенные повторы (см.: Искусственный белок поможет победить ВИЧ, «Элементы», 05.07.2007), а в середине имеется ген, кодирующий транспозазу — фермент, необходимый для «размножения» и перемещения мобильного элемента.

Чтобы транспозон совершил «прыжок» (транспозицию), хозяйская клетка должна для начала прочитать (транскрибировать) ген транспозазы и синтезировать на его основе белок, то есть саму транспозазу. После этого транспозаза должна найти в хозяйской хромосоме свой транспозон, опознать его (для опознания обычно используются концевые повторы), затем вырезать и вставить в какое-нибудь другое место генома.

Итак, транспозаза умеет делать две вещи: 1) узнавать определенные последовательности ДНК и прикрепляться к ним; 2) вырезать и перемещать фрагменты ДНК.

«Прыжки» транспозонов придают причудливую окраску кукурузным початкам. Фото PIXFOLIO/ALAMY из статьи: Christian Biémont and Cristina Vieira. Genetics: Junk DNA as an evolutionary force // Nature. V. 443. P. 521–524 (5 October 2006)
«Прыжки» транспозонов придают причудливую окраску кукурузным початкам. Фото PIXFOLIO/ALAMY из статьи: Christian Biémont and Cristina Vieira. Genetics: Junk DNA as an evolutionary force // Nature. V. 443. P. 521–524 (5 October 2006)

Оба эти «навыка» транспозазы могут быть использованы клеткой, когда ей удается «приручить» какой-нибудь транспозон, то есть сделать его неотъемлемой функциональной частью своего генома. Для подобных процессов даже придумали специальный термин — «молекулярное одомашнивание» (molecular domestication). Транспозон теряет подвижность (просто за счет какой-нибудь мутационной «поломки») и начинает выполнять полезную для организма функцию. Например, способность прирученных транспозаз — так называемых RAG-белков — вырезать и перемещать фрагменты ДНК лежит в основе системы приобретенного иммунитета. RAG-белки создают разнообразные гены антител путем вырезания и перекомбинирования фрагментов геномной ДНК — «заготовок», передающихся по наследству (подробнее см. здесь).

Еще больше эволюционных возможностей содержит в себе способность транспозаз распознавать определенные последовательности нуклеотидов ДНК. На специфическом распознавании белками нуклеотидных последовательностей основаны многие важнейшие процессы в живой клетке. Одним из таких процессов является регуляция активности генов при помощи специализированных регуляторных белков — транскрипционных факторов (ТФ) (см.: Работу регуляторного белка впервые пронаблюдали под микроскопом, «Элементы», 31.05.2007).

Чрезвычайно любопытно, что концевые обращенные повторы многих мобильных элементов, то есть участки ДНК, распознаваемые транспозазами, порой бывают удивительно похожи по последовательности нуклеотидов на сайты связывания ТФ (участки ДНК, распознаваемые транскрипционными факторами). В обоих случаях широко распространены палиндромные мотивы — последовательности ДНК, читающиеся одинаково в обе стороны.

Транскрипционный фактор — димер из двух белковых молекул (внизу), присоединившийся к своему сайту на молекуле ДНК. Транскрипционные факторы, как и транспозазы, часто работают в виде димеров — комплексов из двух одинаковых белковых молекул. Глядя на эту картинку, читатель может понять, почему сайты связывания ТФ, подобно концевым повторам транспозонов, часто содержат палиндромные мотивы. (Изображение с сайта www.uphs.upenn.edu)
Транскрипционный фактор — димер из двух белковых молекул (внизу), присоединившийся к своему сайту на молекуле ДНК. Транскрипционные факторы, как и транспозазы, часто работают в виде димеров — комплексов из двух одинаковых белковых молекул. Глядя на эту картинку, читатель может понять, почему сайты связывания ТФ, подобно концевым повторам транспозонов, часто содержат палиндромные мотивы. (Изображение с сайта www.uphs.upenn.edu)

Это позволяет предположить, что в ходе эволюции прирученные транспозазы могут иногда брать на себя роль транскрипционных факторов, а фрагменты концевых повторов транспозонов, наверное, могут иногда оказываться в таких позициях, где они способны функционировать в качестве сайтов связывания ТФ. Признаюсь по секрету, что некоторое время назад мы с А. М. Куликовым из Института биологии развития РАН всерьез размышляли, нельзя ли доказать, что ТФ как таковые, вместе со своими сайтами, изначально произошли от транспозонов (решили, что нельзя — слишком уж давно это было, еще до появления эукариотической клетки). К тому же на тот момент еще не были известны конкретные случаи «превращений» прирученных транспозаз в транкрипционные факторы.

И вот американские генетики опубликовали статью, в которой впервые документально подтверждается такое превращение.

Исследователи изучали работу системы светочувствительных белков у арабидопсиса — классического модельного растения из семейства крестоцветных. Как и другие цветковые растения, арабидопсис внимательно следит за освещенностью при помощи сложных молекулярных систем. Это помогает растению оптимизировать свой рост, обмен веществ, выращивать листья и соцветия в «правильное» время и т. д. Важную роль в фоторецепции у цветковых играет белок фитохром А, реагирующий на свет с длиной волны 700–750 нм («дальний красный»). Под действием света фитохром А переходит в биологически активную форму и транспортируется из цитоплазмы в ядро клетки, где он «включает» целый ряд генов, регулирующих различные процессы жизнедеятельности (цветение, созревание семян и др.). Предполагается, что фитохром А был уже у последнего общего предка цветковых растений и что формирование эффективной светочувствительной регуляторной системы способствовало быстрой экспансии цветковых в меловом периоде.

Светозависимый транспорт фитохрома А в ядро осуществляется при помощи белков FHY1 и FHL. Кроме того, были идентифицированы еще два белка — FHY3 и FAR1, без которых транспорт фитохрома А в ядро нарушается, однако конкретная биохимическая функция этих белков была до сих пор неизвестна. Именно эти два белка и привлекли внимание исследователей.

Анализ нуклеотидных последовательностей генов FHY3 и FAR1 показал чрезвычайно высокое сходство с генами транспозаз, входящими в состав транспозонов Mutator и Jittery. Оба эти транспозона широко распространены в геномах цветковых растений и относятся к надсемейству транспозонов, именуемому MULE (Mutator-like elements). Сходство генов FHY3 и FAR1 с транспозазами оказалось настолько большим, что говорить о случайности не приходится — это, несомненно, гены «прирученных» транспозаз.

При помощи многочисленных сложных экспериментов с использованием разнообразных мутантов и трансгенных растений (и даже дрожжевых клеток с внедренными растительными генами) исследователям удалось показать, что белки FHY3 и FAR1 необходимы для активации генов FHY1 и FHL (тех самых, которые кодируют белки, транспортирующие активированный светом фитохром А в ядро). Оказалось, что «прирученные транспозазы» регулируют активность обоих генов не поодиночке, а совместными усилиями. Они проникают в ядро и прикрепляются непосредственно к регуляторной области (промотору) генов FHY1 и FHL, что приводит к резкому росту активности (экспрессии) этих генов. Таким образом, «прирученные транспозазы» FHY3 и FAR1 работают как самые настоящие транскрипционные факторы.

Ученым удалось также идентифицировать конкретную последовательность нуклеотидов (CACGCGC), которую распознают белки FHY3 и FAR1 в промоторах генов FHY1 и FHL. Эта последовательность присутствует также в промоторах ряда других генов, участвующих в фоторецепции, регуляции развития и суточных ритмов, таких как PHYTOCHROME B, CIRCADIAN CLOCK–ASSOCIATED 1 (CCA1) и EARLY FLOWERING 4 (ELF4). Вполне возможно, что «прирученные транспозазы» регулируют активность и этих генов тоже.

Наконец, исследователи установили, что активность самих генов «прирученных транспозаз» подавляется фитохромом А, поступающим в ядро. В результате образуется контур отрицательной обратной связи, благодаря которому сигнальная система срабатывает при определенной освещенности и затем отключается, а не работает постоянно, как пожарная сирена, пока освещенность не изменится.

Но главное значение этой работы, конечно, в том, что впервые удалось продемонстрировать превращение «прирученных транспозаз» в полноценные транскрипционные факторы. Авторы предполагают, что приручение одного или нескольких транспозонов семейства MULE произошло вскоре после появления цветковых растений (примерно в середине мелового периода, около 100 млн лет назад) и было связано с освоением первыми цветковыми разных широтных зон, то есть местообитаний с разной сезонной динамикой освещенности.

Источник: Rongcheng Lin, Lei Ding, Claudio Casola, Daniel R. Ripoll, Cédric Feschotte, Haiyang Wang. Transposase-Derived Transcription Factors Regulate Light Signaling in Arabidopsis // Science. 2007. V. 318. P. 1302–1305.

Об эволюционной роли мобильных генетических элементов см. также:
1) Эволюционная роль мобильных генетических элементов остается загадочной (популярный синопсис к статье Л. А. Васильевой и др. «Отклик геномного рисунка МГЭ412 на отбор по количественному признаку у Drosophila melanogaster» // Журнал общей биологии, 2007. № 5. С. 341–349).
2) В. А. Ратнер, Л. А. Васильева. Мобильные генетические элементы (МГЭ) и эволюция геномов.
3) В. А. Ратнер, Л. А. Васильева. 2000. Индукция транспозиций мобильных генетических элементов стрессовыми событиями (PDF, 200 Кб).
4) В. А. Гвоздев Подвижная ДНК эукариот.
5) Прочтение генома опоссума доказало ключевую роль транспозонов в эволюции млекопитающих, «Элементы», 13.05.2007.
6) У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007.
7) У растений обнаружен межвидовой обмен генами, «Элементы», 22.12.2005.
8) Древние млекопитающие заразились плацентой, «Элементы», 15.12.2005.

Александр Марков


Комментарии (2)



Последние новости: ГенетикаБотаникаЭволюцияАлександр Марков

29.09
Сосны и ели приспособились к холоду за счет сходных генов
28.09
Новые геномные данные позволили уточнить историю заселения Евразии и Австралии
20.09
Третий — не лишний: в большинстве лишайников присутствуют два гриба и водоросль
19.09
Муравьи помогают тлям сохранять разнообразие окраски
15.09
Разработан метод пространственной визуализации транскрипции генов
13.09
Эволюционный эксперимент показал, где и как появляются наиболее приспособленные особи
12.09
У древних четвероногих было долгое детство
6.09
Собачий мозг обрабатывает речевую информацию почти так же, как человеческий
2.08
Гибридизация однодомных и двудомных растений увеличивает разнообразие половых фенотипов
23.07
Млекопитающие с относительно крупным мозгом более уязвимы

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия