В листьях риса повышено содержание экстрахромосомной кольцевой ДНК

Геном является динамической системой, которая изменяется и адаптируется в ответ на внутренние и внешние стимулы. Ученые еще многого не понимают о динамической природе генома. Загадкой остается такой его компонент, как экстрахромосомная кольцевая ДНК (eccDNA). eccDNA впервые обнаружили еще в 1965 году и с тех пор подтвердили ее присутствие во многих тканях человека, как здоровых, так и раковых. Были предложены различные роли для eccDNA, от амплификации генов и регуляции экспрессии до участия в генетической вариабельности. Многие исследования eccDNA сосредоточены на образцах человека. В новой работе китайские исследователи изучили роль eccDNA риса. Особое внимание они уделили процессу формирования eccDNA и его влиянию на целостность хромосом.

Авторы использовали метод Circle-seq, который они адаптировали для растений. Метод включает в себя ферментативное разрушение линейной ДНК и обогащение eccDNA, резистентной к действию экзонуклеазы. Исследователи отобрали образцы различных тканей — проросших зародышей, корней, стеблей, листьев и их оболочек, а также метелок. Анализировали по два образца каждой ткани. EccDNA присутствовала во всех тканях, однако ее профили были уникальными в каждом образце и практически не пересекались. Исследователи объединили оба образца одной ткани для совместного анализа.

Всего было выявлено 25 598 eccDNA. Количество eccDNA различалось в тканях: 86,66% всей eccDNA было найдено в листьях, что может говорить об ее особой роли в этой части растения. GC-состав eccDNA был выше, чем в среднем по геному. Большая часть eccDNA (49,74%) имела размер 200–400 п.н.

Исследователи идентифицировали прямые и инвертированные повторы в eccDNA. eccDNA с прямыми повторами имела более низкий GC-состав, но большую массу и длину, что может говорить об ее лучшей стабильности.

Также авторы подтвердили, что eccDNA имеет форму кольца. Для этого образцы eccDNA обработали экзонуклеазами, которые селективно разрушают только линейную ДНК, но не кольцевую. Действительно, экзонуклеаза не разрушала eccDNA.

Формирование eccDNA включает в себя вырезание хромосомного материала, что может повлиять на геномную стабильность. Авторы выявили микроделеции, связанные с образованием eccDNA. Они также высказали предположение, что eccDNA формируются не с помощью традиционного репликативного механизма.

eccDNA в основном образовывались из межгенных и кодирующих областей. Напротив, в областях интронов и 3'-нетранслируемых регионах они присутствовали гораздо реже. Если не брать во внимание образцы листьев, то последовательности 40% eccDNA пересекались с по крайней мере одним геном. Обычно один ген был ассоциирован с одной eccDNA, но были и исключения. Так, ген LOC_Os12g33958 пересекался с 36 различными eccDNA, а LOC_Os08g22790 — с 14. Также 85 eccDNA включали в себя ген целиком.

Чтобы проверить, влияет ли eccDNA на экспрессию генов, авторы секвенировали РНК всех образцов. Они не выявили прямой связи между присутствием eccDNA и генной экспрессией.

Ранее было показано, что eccDNA обогащены в областях, связанных с ответом на стресс. Авторы подвергли ростки риса засухе, после чего в них ненамного повысилось содержание eccDNA, но разница не была значимой. Другие параметры, такие как GC-состав и распределение по длине, тоже не поменялись.

В листьях авторы обнаружили особый паттерн eccDNA, отличный от других тканей. Так, в листьях eccDNA было больше, но они реже пересекались с генами. Такого не наблюдалось, например, в Arabidopsis thaliana. Примерно 1,7% eccDNA листьев картировалось на геномы органелл, особенно митохондрий.

Для выращивания риса требуется интенсивное освещение. Авторы предположили, что ультрафиолет мог повлиять на количество eccDNA в листе. Действительно, дополнительное воздействие ультрафиолетом значительно повысило количество eccDNA в листьях. Интересно, что листья также отреагировали повышением eccDNA на полную темноту, что считается стрессовым воздействием для риса.

По мнению авторов, выявленные закономерности можно использовать для повышения урожайности и приспособленности риса, что особенно важно в изменяющихся условиях окружающей среды.

Низкочастотные соматические мутации наследуются у тропических деревьев