Специалисты изучили природу стабильной экспрессии ключевых генов у растений

Большинство генов в организме меняет свою экспрессию в ходе развития (собственно, это и служит движущей силой развития) и в ответ на воздействие внешних факторов. Но фундаментальные клеточные процессы, такие как репарация ДНК, синтез белка и базовый метаболизм, требуют стабильности транскриптома, поэтому в организме имеются стабильно экспрессируемые гены (SEG). Их еще называют «генами домашнего хозяйства», хотя, строго говоря, это не совсем одно и то же. Характеристики этих генов описаны на модельных животных и на человеке, но не на растениях. Анализу их работы в растительном геноме посвящено исследование, выполненное сотрудниками Центра биомедицинских технологий Сколтеха и лаборатории геномики растений Института общей генетики РАН.

Ученые проанализировали транскриптомные карты (наборы данных о профиле экспрессии генов в разных органах, на разных стадиях развития, в различных внешних условиях и т.д.; эти данные получают с помощью высокопроизводительного секвенирования РНК) пяти видов цветковых растений, представляющих основные эволюционные линии. Это резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana), гречиха (Fagopyrum esculentum), томат (Solanum lycopersicum), фаленопсис наездник (Phalaenopsis equestris) и кукуруза (Zea mays).

Прежде всего для анализа отобрали гены, которые экспрессируются во всех образцах — повсеместно экспрессируемые гены. На втором этапе отобрали гены, которые имели стабильную экспрессию (низкий коэффициент вариации уровней экспрессии). Таких генов (SEG) оказалось 3410, и они составили 672 ортогруппы (ортогруппа — группа генов разных видов, происходящих от одного и того же гена общего предка этих видов). Интересно, что хотя большинство генов растений представлено в геноме несколькими копиями из-за полногеномных и сегментных дупликаций, которые нередки в эволюционной истории растений, среди SEG подавляющее большинство генов однокопийные. Это подчеркивает их стабильность не только на уровне регуляции экспрессии, но и на уровне структуры генома.

Далее специалисты оценили стабильность экспрессии SEG на уровне белков. Используя опубликованную протеомную карту для A. thaliana, они показали, что коэффициент вариации экспрессии SEG значительно ниже, чем у повсеместно экспрессирующихся генов, которые к SEG не относятся. Такая стабильность на протеомном уровне говорит о существенной роли SEG в жизнедеятельности организма.

Чтобы подтвердить это предположение, авторы проанализировали массив информации о последствиях нарушения функции различных генов Arabidopsis. Последствия могут быть не критичными для жизнеспособности растения, а могут быть летальными. Оказалось, что мутации, приводящие к потере функции, в генах SEG, вызывали гибель растений гораздо чаще, чем в других повсеместно экспрессирующихся генах (40% по сравнению с 20%). И наоборот, большинство генов, мутации в которых ведут к летальному исходу или морфологическим дефектам, относятся к SEG.

У генов SEG обнаружились и некоторые структурные особенности: они у всех видов были длиннее, чем повсеместно экспрессирующиеся гены, в них было больше экзонов и меньше доля C и G. При анализе эпигенетических параметров выяснилось, что SEG отличаются по частоте некоторых модификаций гистонов (например, у них выше частота активирующей метильной метки H3K4me1), а также имеют значительно более высокий уровень внутригенного метилирования. Последнее характерно и для стабильно экспрессирующихся генов у животных, что подчеркивает общность механизмов регуляции стабильности. Вместе с тем, открытость хроматина в промоторных регионах у SEG и у повсеместно экспрессирующихся генов не отличалась, хотя у обеих этих групп значимо отличалась от генов со специфичными профилями экспрессии.

Наконец, некоторые данные (отсутствие повышенной частоты тех или иных цис-регуляторных, то есть расположенных относительно близко к гену мотивов) указывают на то, что стабильность экспрессии этой группы генов не управляется универсальными регуляторными элементами. Авторы предполагают, что стабильность SEG — это их состояние по умолчанию, она зависит от геномной архитектуры, а не регулируется конкретными транскрипционными факторами,

На вопрос PCR.NEWS, может ли данное исследование найти применение в практических аспектах, например, в геномном редактировании, отвечает соруководитель работы Мария Логачева, старший преподаватель Центра наук о жизни «Сколтеха».

«Стабильно экспрессирующиеся гены очень полезны в качестве внутренних контролей (референсов) в экспериментах по анализу экспрессии генов методом количественной ПЦР. Традиционно в качестве референсных используют «гены домашнего хозяйства», такие как актин, тубулин, гены рибосомных белков. Однако хорошо известно, что стабильность их во многих экспериментальных условиях не слишком высока и не консервативна между видами. То, что ген стабильно экспрессируется у одного вида, не обязательно значит, что он будет стабилен у другого. Идентификация стабильно экспрессирующихся ортогрупп позволяет подобрать новые референсные гены, стабильные в большом числе условий, стадий и органов, и сделать анализ экспрессии с помощью количественной ПЦР более точным и универсальным.

Помимо этого, такие гены могут служить для контроля качества транскриптомных сборок, аналогично тому, как используются для контроля качества сборок генома гены BUSCO. Если говорить именно о генной инженерии, то промоторы стабильных генов могут стать хорошими кандидатами для создания трансгенных конструкций, где требуется надежная и предсказуемая экспрессия целевого гена в различных тканях и на разных стадиях развития».

Исследования выполнялись в рамках проекта «ПАНАГРО: от пангеномов сельскохозяйственных растений к маркер-ориентированной селекции и геномному редактированию», поддержанного Министерством науки и высшего образования РФ (проект № 075-15-2025-476 от 29.05.2025).