Эмбриогенез маршанции полностью контролируется материнским геномом

Поддержание надлежащего уровня экспрессии генов — сложная задача для эукариотов. Например, мультисубъединичные белковые комплексы требуют сбалансированной экспрессии каждого компонента. Ошибки экспрессии могут привести к дефектам развития, бесплодию и патологиям. При этом значительные изменения в генной экспрессии происходят при диплоидизации — удвоении полного генома.

Все эукариоты, размножающиеся половым путем, имеют диплоидные и гаплоидные стадии жизненного цикла, но продолжительность каждой стадии сильно различается у разных видов. Механизм контроля генной экспрессии в процессе изменения плоидности хорошо изучен для млекопитающих, которые в течение жизни находятся преимущественно в диплоидном состоянии. Однако для эукариотических организмов с короткой диплоидной и длинной гаплоидной фазами этот механизм до сих пор был неясен.

Чтобы восполнить этот пробел, авторы новой работы провели серию экспериментов на модельном организме — маршанции Marchantia polymorpha. Это мохообразное растение, в жизненном цикле которого преобладает гаплоидная стадия. Вегетативные гаплоидные женские и мужские растения производят сперматозоид и яйцеклетку, которые при слиянии образуют диплоидный зародыш. Через 20 дней зародыш претерпевает мейоз, в результате которого образуются гаплоидные споры.

Жизненный цикл маршанции. Credit: Montgomery, S. A., et al., 2022; DOI:  10.7554/eLife.79258 |  CC BY 4.0

Ученые скрестили две маршанции дикого типа, получили зародыши и проанализировали их транскриптомы через 13 дней после оплодотворения (ДПО). Они обнаружили, что экспрессия генов в зародышах отличалась от таковой в других тканях маршанции. При этом транскриптомы зародышей походили друг на друга.

Анализ аллель-специфической экспрессии показал, что в диплоидных зародышах 98% генов транскрибируются в основном с материнских аллелей, а 25% генов — только с материнских аллелей. Чтобы понять механизм сайленсинга отцовских аллелей, исследователи выявили дифференциально экспрессируемые гены у родителей и зародышей, особое внимание уделив генам, связанным с хроматином. В геноме маршанции аннотировано 215 таких генов; из них 151 у зародышей имел повышенную экспрессию, семь — пониженную, и 20 генов экспрессировались только у зародышей. Два гена из этих 20 оказались паралогами каталитических субъединиц репрессорного комплекса Polycomb 2 (PRC2). PRC2 — это консервативный мультисубъединичный комплекс, который подавляет экспрессию генов, опосредуя навешивание гистоновых меток H3K27me3. Исследователи предположили, что метки H3K27me3 присутствуют на репрессированных отцовских аллелях в зародыше маршанции.

Они провели профилирование модификаций хроматина методом CUT&RUN и показали, что 88% аллелей, обогащенных H3K27me3, были отцовскими. Так как пронуклеусы гамет в зиготе маршанции сливаются только на 4 ДПО, ученые предположили, что H3K27me3 оказывается на отцовских аллелях через некоторое время после оплодотворения. Иммунофлуоресцентный анализ показал, что они возникают в отцовском пронуклеусе спустя 3 ДПО.

Чтобы разобраться, какую роль в отцовском импринтинге играет PRC2, ученые выключили гены его каталитических субъединиц. При скрещивании мутантных женских растений с мужскими растениями дикого типа у потомства наблюдались потеря или рассеивание крупных участков гетерохроматина, соответствующих участкам с H3K27me3 в зародышах дикого типа. У мутантных эмбрионов обогащение H3K27me3 большинства генов было снижено. При этом только 20% мутантных зародышей созрели и только 5% образовали спороносные структуры. (Для зародышей дикого типа эти показатели были равны 95% и 77% соответственно.) Ни один из них не продуцировал жизнеспособные споры.

Авторы статьи заявляют, что открыли новую форму импринтинга — репрессию отцовских хромосом. Она имеет три основных отличия от геномного импринтинга, описанного для цветковых растений и млекопитающих:

·         эпигенетические метки формируются после оплодотворения;

·         они репрессируют все хромосомы одного родителя;

·         из-за этого эмбриогенез находится под полным контролем материнского генома.