Гены допрыгались до цветов

То, что растения тянутся к свету, было известно еще со времен Аристотеля. Но механизм такой реакции не был до конца понятен ботаникам даже после детального исследования молекулярных основ фотосинтеза. Новое исследование ботаников из Института растений имени Бойса – Томпсона и кафедры биологии Техасского университета, опубликованное в последнем номере Science, в прямом и переносном смысле проливает свет на реакцию растений на освещение.

Ученые вновь обратили свое внимание на Arabidopsis, ставший за последние 10 лет самой популярной моделью не только генетиков и биохимиков, но еще и хронобиологов.

Отвечая на вопрос, поставленный в одной из своих предыдущих работ, Хайян Ван доказал, что растение начинает готовиться реагировать на свет, когда еще находится в темноте.

Эта подготовка заключается в продукции тесно связанных белков FHY3 и FAR1, увеличивающих продукцию двух других – FHY1 и FHL, которые, как было показано в предыдущих исследованиях, являются ключевыми в ответе растения на свет.

Хайян Ван поясняет это таким образом: растение накапливает эти белки ночью так же, как и путешественник заполняет свой бензобак вечером перед долгой утренней поездкой.

Подобное сравнение не так уж примитивно, как может показаться, ведь в биологии гораздо сложней и важней найти причинно-следственную связь и ответить на вопрос «зачем?», чем открыть «гены, отвечающие за…».

Подготовка осуществляется в несколько этапов.

1. Светочувствительный пигмент фитохром А (один из четырёх типов светочувствительных пигментов в красной части спектра) в цитоплазме клеток растения регистрирует свет в дальней части красного спектра.

2. Как и в большинстве случаев, активация белка фотоном света приводит к изменению конформации – объемной структуры протеина. Это изменение формы фитохрома А позволяет ему связаться с FHY1 и FHL.

3. Связывание FHY1 и FHL с фитохромом А приводит к накоплению его в ядре клетки. Механизм этого процесса пока не известен, но, возможно, эти белки помогают фитохрому A проникать через ядерную мембрану.

4. Активированный фитохром А через FHY3 и FAR1 изменяет активность генов, отвечающих за рост и развитие растения. В данном случае белки выступают в роли транскрипционных факторов, запускающих экспрессию других генов – образование иРНК, затем белков, отвечающих за проявление конкретных признаков.

5. Изменения в экспрессии генов и отвечают за ответ растения на свет, в частности, рост, цветение и положительный гелиотропизм («солнцелюбие»).

Собственно, Вану с коллегами удалось установить, как именно FHY3 и FAR1 регулируют работу генома растения. Оказывается, эти белки обладают способностью связываться с ядерной ДНК и запускать считывание генов.

Все вышеописанное объясняет только положительную регуляцию роста с помощью света. Однако без отрицательной обратной связи, присутствующей во всех, даже самых примитивных биологических системах, подобная регуляция была бы неэффективна и нециклична.

Именно такую связь исследователи и обнаружили между фитохромом и FHY3, FAR1.

Чем больше фитохрома накапливалось в ядре, тем меньше синтезировалось белков FHY3, FAR1, а следовательно, меньше фитохрома транспортировалось в ядро. Без подобной связи реакция растений на свет шла бы по нарастающей без остановки и очень быстро истощила организм.

По словам Вана, он не может объяснить, зачем природе понадобился такой сложный механизм реакции на свет. Не исключено, что на самом деле он возник случайно.

Как выяснили учёные, последовательности ДНК, кодирующие FHY3 и FAR1 очень схожи с так называемыми прыгающими генами, обладающими способностью менять свое местоположение в геноме в зависимости от различных факторов – освещения, химических веществ и так далее. Это свойство изрядно попортило нервы исследователям, пока они пытались найти гены FHY3 и FAR1.

Однако наградой стала новая гипотеза возникновения реакции растений на свет: именно случайное сочетание прыгающих генов в процессе «перепрыгивания» между различными участками геномов могло привести к созданию эффективного механизма такого поведения. Если это действительно так, то именно «прыгающим генам» надо сказать спасибо за появление на Земле цветов.