26.11.2013

Альтернативный сплайсинг помогает растениям регулировать сроки цветения в зависимости от погоды

У модельного растения резуховидки Таля имеется сложная система регуляции сроков цветения в зависимости от температуры и продолжительности светового дня. Биологи из Германии и Нидерландов разобрались в устройстве одного из блоков этой системы, благодаря которому в холодную погоду цветение задерживается, а в теплую — ускоряется. Как выяснилось, ключевую роль в этом играет альтернативный сплайсинг, позволяющий растению на основе одного и того же гена FLM производить два разных варианта (изоформы) белка: FLM-β и FLM-δ, причем первая изоформа производится в основном при низкой температуре, а вторая — при высокой. Обе изоформы образуют комплексы (гетеродимеры) с белком SVP. Комплекс SVP–FLM-β прикрепляется к регуляторным участкам нескольких генов, управляющих формированием цветков, и тормозит их работу, что приводит к задержке цветения. Комплекс SVP–FLM-δ не умеет прикрепляться к ДНК, поэтому преобладание изоформы FLM-δ (характерное для растений, растущих в тепле) способствует раннему цветению, пишет Nature.

Успешное размножение растений во многом зависит от их умения зацвести вовремя. При этом многим растениям, особенно обитателям умеренных и холодных широт, нужно учитывать не только время года (которое можно определить по длине светового дня), но и погодные условия: если сезон выдался холодный, выгоднее зацвести попозже. У излюбленного объекта специалистов по генетике растений, резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), время цветения подстраивается под температуру и освещенность при помощи сложной геннорегуляторной сети, устройство которой активно изучается, но расшифровано еще далеко не полностью.

Ранее было показано, что гены FLM (FLOWERING LOCUS M) и SVP (SHORT VEGETATIVE PHASE) кодируют регуляторные белки (транскрипционные факторы), играющие роль репрессоров (подавителей) цветения. Мутации в этих генах приводят к снижению термочувствительности и могут лишить растение способности регулировать сроки цветения в зависимости от температуры. Было также известно, что матричные РНК, считанные с гена FLM, подвергаются альтернативному сплайсингу. В результате на основе одного и того же гена FLM может производиться четыре варианта (изоформы) белка, но чаще всего производятся две: FLM-β и FLM-δ (рис. 2).

Кроме того, было показано, что при повышении температуры активируется несколько генов — регуляторов сплайсинга, что ведет к изменению количественного соотношения изоформ белка FLM (см.: Balasubramanian et al. 2006. Potent Induction of Arabidopsis thaliana Flowering by Elevated Growth Temperature).

Всё это позволяло предположить, что альтернативный сплайсинг FLM как-то участвует в температурной регуляции сроков цветения, но механизм регуляции оставался совершенно неясным. Расшифровать его удалось немецким и голландским биологам, о чем исследователи сообщили в последнем выпуске журнала Nature.

Для начала авторы выяснили, как влияет температура на соотношение изоформ. Оказалось, что у растений, выращенных при 16°C, резко преобладает изоформа FLM-β, при 23°C растения производят обе изоформы примерно в одинаковом количестве, а при 27°C преобладает изоформа FLM-δ. Что касается гена SVP, то на его работу температура влияет слабо (а это значит, что он не может в одиночку регулировать время цветения в зависимости от температуры, а должен для этого взаимодействовать с каким-то другим геном, работа которого чувствительна к температуре, например с геном FLM).

Теперь нужно было выяснить, как влияют изоформы белка FLM на время цветения. Для этого авторы сконструировали гены на основе уже прошедших сплайсинг матричных РНК FLM-β и FLM-δ и заставили их работать в клетках растения. РНК, считанные с таких искусственных генов, не подвергаются сплайсингу (ведь в них нет интронов), поэтому на их основе может производиться только одна изоформа белка. Оказалось, что FLM-β задерживает цветение, а FLM-δ — ускоряет.

Дальнейшие эксперименты показали, что обе изоформы FLM образуют комплексы (гетеродимеры) с белком SVP. Комплекс SVP–FLM-β прикрепляется к регуляторным участкам многих ключевых генов, контролирующих формирование цветков (SOC1, ATC, TEM2, SEP3, AP3, PI и др.). Прикрепление комплекса SVP–FLM-β подавляет работу этих генов, что и приводит к задержке цветения. Кроме того, SVP способен образовывать гомодимеры (SVP-SVP), которые тоже прикрепляются к промоторам «генов цветения» и тормозят их работу. Что же касается комплекса SVP–FLM-δ, то он, как оказалось, почти не способен прикрепляться к ДНК и поэтому не оказывает тормозящего влияния на работу генов.

Эти факты (наряду с результатами множества дополнительных экспериментов) позволили авторам прийти к выводу, что система температурной регуляции сроков цветения у Arabidopsis основана на конкуренции двух изоформ белка FLM за право соединиться с белком SVP. Судя по всему, система работает следующим образом. Если на дворе холодно, гены — регуляторы сплайсинга пребывают в неактивном состоянии, поэтому на основе гена FLM производится преимущественно изоформа FLM-β. Она соединяется с SVP, образуя гетеродимер SVP–FLM-β, который блокирует работу многих генов, необходимых для формирования цветков. Это приводит к задержке цветения. Если устанавливается теплая погода, гены — регуляторы сплайсинга активируются. Из-за этого матричные РНК, считанные с гена FLM, начинают сплайсироваться по-другому. В результате производство изоформы FLM- β снижается, FLM-δ — растет. Большинство молекул SVP связывается с FLM-δ в гетеродимер, который не умеет прикрепляться к ДНК и не оказывает угнетающего действия на работу «генов цветения». Конечным итогом является раннее цветение.

Необходимо подчеркнуть, что расшифрованная система межгенных взаимодействий является лишь частью сложного регуляторного каскада, определяющего время цветения, поскольку известно много других генов, влияющих на данный признак. Как и многие регуляторные каскады, эта система на первый взгляд кажется громоздкой, неоптимальной и «избыточной». Дальнейшие исследования покажут, чем это объясняется в данном случае: требованиями помехоустойчивости или неизбежным несовершенством дизайна биологических систем, порождаемым «недальновидностью» естественного отбора.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru