_ Progresele în cercetarea genomică dezvăluie o alternativă situsurile de inițiere a transcripției în mii de gene de soia

Rosalind Franklin, James Watson și Francis Crick au descoperit structura ADN-ului – acel model molecular pentru viață – cu peste 70 de ani în urmă. Astăzi, oamenii de știință încă descoperă noi modalități de a-l citi.

În 2010, Jianxin Ma, profesor de agronomie, și colaboratorii săi au construit primul genom de referință pentru boabele de soia pe soiul larg studiat Williams 82. De atunci, mii de oameni de știință și crescători de plante au folosit genomul respectiv în propriile cercetări privind structura genetică care stă la baza diferitelor caracteristici, cum ar fi conținutul de proteine ​​​​și ulei din semințe, arhitectura și productivitatea plantelor, rezistența la boli și toleranța la stres abiotic la boabe de soia.

De-a lungul ultimului deceniu, Ma, care este Indiana Soybean Alliance Inc. Catedra dotată pentru îmbunătățirea soiei, a fost recunoscut la nivel internațional pentru contribuția sa la genomul soiei, precum și pentru cercetarea și inovația sa continuă în domeniu. Lucrarea sa cea mai recentă, publicată în The Plant Cell, a folosit progresele cercetării genomice pentru a completa golurile genomului de referință original de soia.

„Genomul de referință era ca un dicționar când l-am anunțat”, a spus Ma. . „Fiecare genă era ca un singur cuvânt. Cu toate acestea, lipsea o informație critică: site-urile de inițiere a transcripției pentru gene individuale.”

Sitiurile de inițiere a transcripției sunt locații din ADN în care o proteină specializată a factorului de transcripție se poate atașa și apoi construi o copie ARNm a genei din fața acesteia. Acel ARNm este citit și tradus la ribozomul unei celule pentru a crea mai multe proteine, importante pentru funcția chimică și fizică a fiecărui organism.

A ști unde începe formarea ARNm pe catena ADN este o parte semnificativă a înțelegerii modului în care genele sunt exprimate. Aceste site-uri de inițiere conțin elemente de reglare și oferă celulei informații despre când și unde să transcrie fiecare genă pentru a produce proteine ​​și cât de des să facă acest lucru în orice moment.

În genetică, în general, a fost a acceptat că fiecare genă are un site de inițiere a transcripției, situat în aval de o regiune promotor de bază și de obicei în jurul unei cutii TATA - o secvență de ADN bogată în repetă de timină și adenină. Dar Ma și colegii săi nu mai cred că acesta este cazul.

„Există un set de site-uri de începere a transcripției prezise pentru peste 50.000 de gene din soia, dar pe baza noului nostru studiu, mai puțin de 3% dintre acestea. site-urile de inițiere a transcripției prezise sunt de fapt corecte”, a spus Ma.

În 2020, dezvoltarea tehnicii Survey of TRnscription Initiation at Promoter Elements Sequencing (STRIPE-seq) a oferit laboratorului lui Ma un instrument eficient, eficient, mai rapid și o modalitate mai accesibilă de a identifica site-urile de inițiere a transcripției în întregul genom de soia. De asemenea, a oferit informații despre abundența relativă a fiecărei copii de ARNm, care oferă indicii cu privire la cât de mult este exprimată o genă în diferite țesuturi și timpi.

Ma și laboratorul său au efectuat analize STRIPE-seq pe opt țesuturi diferite. la soia: frunze, tulpini, vârfuri tulpinilor, rădăcini, noduli, flori, păstăi și semințe în curs de dezvoltare. Chiar dacă ADN-ul plantei este consistent în aceste țesuturi, expresia genelor diferă.

În lucrarea lor recentă, laboratorul Ma a identificat locuri de inițiere a transcripției pentru aproximativ 40.000 de gene din soia. Ei au descoperit site-uri alternative de inițiere a transcripției pe scară largă în afara regiunii cutiei TATA și alte secvențe considerate a fi promotori.

Unele situsuri nou identificate apar de fapt în secvența de codificare a genei care devine ARNm. Astfel, proteinele factor de transcripție se pot lega de mai multe secțiuni diferite ale genei și pot începe să producă ARNm, fiecare copie diferită de cele începute la alte site-uri. Fiecare site alternativ de transcripție ar putea crea o proteină diferită din aceeași genă.

Un subset specializat de site-uri de inițiere a transcripției pe care grupul le-a găsit a fost în nodulii rădăcinilor, o structură pe rădăcinile leguminoaselor care găzduiește interacțiunea între plantă și Bacteriile rizobiilor. Acești microbi care locuiesc în sol fixează azotul pentru plante specializate, cum ar fi leguminoasele, în schimbul zaharurilor și protecției. Această simbioză mărește supraviețuirea unei plante în soluri cu deficit de azot fără utilizarea îngrășămintelor cu azot.

„Am găsit aceste locuri de inițiere a transcripției în noduli, dar nu în rădăcini sau în alte țesuturi, sugerând că sunt pentru transcripție specifică țesutului și asociată cu funcția specifică nodulului”, a spus Ma.

Pentru ca ADN-ul să se potrivească în nucleul unei celule, acesta este înfășurat în jurul proteinelor histonice pentru a forma o structură numită „cromatina”. În funcție de markerii chimici plasați pe aceste histone, cromatina poate fi înfășurată strâns - împiedicând legarea factorilor de transcripție - sau lejer, făcând-o accesibilă pentru generarea de copii ARNm.

Ma crede că aceste modificări „epigenetice” funcționează. mână în mână cu situsurile alternative de inițiere a transcripției în expresia genelor. Diferite site-uri de inițiere a transcripției pot deveni disponibile pe măsură ce o genă este strânsă sau slăbită și pot fi create diferite proteine.

„Am găsit aproape 7.000 de gene care au inițierea transcripției alternativă în secvențele de codare. Aceste transcripții alternative. Locurile de inițiere tind să fie specifice țesuturilor și asociate cu modificări ale histonelor”, a spus Ma.

Din punct de vedere evolutiv, aceste locuri alternative ar fi putut fi benefice pentru boabele de soia și alte plante, deoarece au permis o complexitate și adaptabilitate crescute în condiții limitate. genomului. Soia a experimentat două evenimente de duplicare a întregului genom de-a lungul istoriei lor, ambele cu câteva milioane de ani în urmă. Deși unele dintre genele duplicate au fost pierdute de atunci, Ma crede că evenimentele de duplicare ar fi putut da naștere la site-uri de transcripție alterate sau alternative.

„După duplicare, majoritatea genelor sunt încă în perechi; totuși, ele. arată modele de expresie diferite, iar mulți s-au diferit din punct de vedere funcțional pentru a regla diferite trăsături”, a spus Ma. „Încep să transcrie de pe site-uri diferite, contribuind potențial la divergența lor funcțională.”

În prezent, Ma coordonează cu oamenii de știință al Serviciului de Cercetare Agricolă USDA Rex Nelson și Jacqueline Campbell pentru a face aceste date de cercetare accesibile pentru alții, doar așa cum a făcut cu genomul de referință original. Grupul adaugă datele la SoyBase, o bază de date online colaborativă pentru cercetarea soiei.

Nelson, curatorul SoyBase, a explicat: „A avea chiar și un site potențial de începere a transcripției va ajuta la analiza regiunilor promotoare ale genei de soia. Acest lucru poate arunca lumină asupra proteinelor care interacționează cu promotorii și induc transcripția.”

Campbell, co-curatorul bazei de date, a adăugat că „identificarea factorilor de transcripție care leagă regiunile promotoare va permite cercetătorilor să identifice. rețele de interacțiune de reglementare a genelor implicate în reglarea complexă a genelor în fenotipuri importante din punct de vedere agronomic.”

Ma spune: „Baza de date servește ca o resursă importantă atât pentru cercetarea de bază, cât și pentru cea aplicată catalizează cercetările suplimentare în înțelegerea funcțiilor genelor, a mecanismelor de reglementare, a rețelelor de gene și a variațiilor genetice asociate cu trăsături specifice de interes Pe măsură ce înțelegem mai bine modul în care aceste site-uri de transcriere alternative afectează anumite trăsături, speranța este să vedem că acest lucru duce la soiuri de soia mai bune. /p>

(Fluierul)