3.3 Путь 2: регуляция развития растений miPHK и транс-действующими siPHK

Открытие эндогенных популяций miPHK у растении и животных знаменовало новую эру в исследовании биологии развития и обусловленного PHKi замалчивания генов (Bartel, 2004). miPHK замалчивают экспрессию генов путем комплементарного спаривания с информационными РНК-мишенями и индукции расщепления мРНК или ингибирования трансляции. На важную роль miPHK в развитии растений указывает и тот факт, что многие необходимые для биогенеза miPHK и сайленсинга гены (в том числе DCL1, AGOl, HEN1, HYL1 и HST) были обнаружены при скринировании мутантов с дефектами развития, у них и было выявлено накопление miPHK. Фенотипы мутантов, дефектных по этим белкам, указывали на разнообразную роль miPHK в функционировании меристемы, полярности органов, развитии сосудистой системы, структуре цветка и ответах растения на стресс и гормональное воздействие (Kidner and Martienssen, 2005). Недавно установлено, что miPHK участвуют в биогенезе новых типов маленьких РНК и транс-действующих siPHK.

Роль и биогенез микроРНК

МикроРНК изначально были получены при клонировании разделенных по размеру маленьких РНК, содержащих 18-28 нуклеотидных остатков. Их высокая степень комплементарности к мРНК-мишеням у растений заметно облегчила идентификацию дополнительных микроРНК при компьютерном анализе. Таким путем у арабидопсиса найдены 92 локуса. в которых закодировано 27 определенных микроРНК, примерно столько же выявлено и у риса. Экспрессия многих микроРНК регулируется средой и программой развития растения. Примерно 50% их мишеней у арабидопсиса — факторы транскрипции, многие из которых являются модуляторами образования меристемы и идентичности. Это было установлено еще до их идентификации в качестве мишеней микроРНК. В отличие от этого, у животных микроРНК не всегда адресованы мишеням, кодирующим факторы транскрипции, а регулируют разные гены в клетке. Два важных белка микроРНКового пути у арабидопсиса, DCL1 и AGOl, саморегурегулируются с помощью микроРНК с участием негативной модуляции по принципу обратной связи (Kidnerand Martienssen, 2005).

У эукариот многие микроРНК эволюционно консервативны (Axtell and Bartel, 2005). Примечательно, что у цветковых, голосеменных и более примитивных растений мРНК группы факторов транскрипции, регулирующих образование меристемы и асимметрию латеральных органов, сохранили совершенную комплементарность к узнающим их микроРНК. Эта особенность сохранена по-крайней мере в течение 400 миллионов лет (Floyd and Bowman, 2004).

МикроРНК закодированы в таких зонах генома, которые расположены между генами, кодирующими белки, или в интронах. Они возникают из несовершенных шпилечных предшественников РНК размером от 70 до 300 и более пар оснований, которые транскрибируются ДНК-зависимой РНК-полимеразой II. Процессинг предшественников растительных микроРНК в ядре происходит в несколько этапов. Сначала концы пре-микроРНК удаляются ядерной DCL1. Для этого необходим связывающийся с двутяжевыми РНК белок HYL1, который был выделен при анализе фенотипических мутантов с дефектным гормональным ответом (Han et al., 2004; Vasquez et al., 2004a). Затем микроРНК дуплекс (miR/miR*, рис. 9.36) высвобождается под действием DCL1 и его 3’-конец метилируется с помощью HEN 1 (раздел 3.2, подраздел «Происхождение и процессинг двутяжевых РНК»). Для транспорта дуплекса miR/miR* из ядра в цитоплазму нужен HASTY (HST), гомолог животного экспортина 5 (Park et al., 2005). Зрелые микроРНК найдены также и в ядерной фракции, может быть в ядре некоторые из них могут осуществлять эпигенетические модификации. МикроРНК к сплайсированным растущим цепям транскриптов транскрипционных факторов индуцируют неким неизвестным путем цитозиновое метилирование ДНК в последовательностях, расположенных ниже гена-мишени (Schubert et al., 2005).

Биогенез микроРНК у животных происходит иначе, у них есть только один дайсер, который локализован в цитоплазме, и вторая РНК-аза III-типа, Drosha, в ядре. Drosha вместе со связывающим двутяжевые РНК белком Pasha (у растений их гомологов нет) отщепляет концы от пре-микроРНК. Затем такие пре-микроРНК перемещаются в цитоплазму экспортином 5 и процессируются окончательно дайсером с образованием зрелых микроРНК (Du and Zamore, 2005, Ют, 2005).

Растительные микроРНК направляют расщепление мРНК

В целом, животные микроРНК неполностью комплементарны к мРНК-мишеням, и они подавляют трансляцию, связываясь с многими сайтами в 3’-нетранслируемых областях (UTR). В отличие от этого почти совершенная комплементарность растительных микроРНК к кодирующим участкам мРНК-мишеней способствует расщеплению мРНК, по-видимому, подобно siPHK. Однако существуют исключения из этих «правил». Так, например, растительная miR172 способна блокировать трансляцию, а некоторые животные микроРНК могут участвовать в расщеплении мРНК-мишеней (Du and Zamore, 2005).

AGO I — главный белок из семейства белков аргонавтов и нарезающий (слайсер) мРНК компонент в программированном микроРНК RISC у арабидопсиса (Baumberger and Baulcombe, 2005). AGOl был найден еще до открытия микроРНК при скрининге мутантов Arabidopsis с дефектным развитием листьев (Carmell et al., 2002). Название аргонавты было инспирировано фенотипом agol мутантов, которые были похожи на небольших кальмаров из-за их узких нитевидных листьев. У agol мутантов в апикальной меристеме побегов обнаруживаются такие же дефекты, как у дефектных мутантов PNH/ZLL/AGO10 (табл. 9.2), они сходны с AGOl, но еще неизвестно, нужны ли они для PTGS (Vaucheret et al., 2004). В меристемах растений белки AGO играют существенную роль в поддержании «стволовости» клеток (Carmell et al., 2002: Kidner and Martienssen, 2005).

Транс-действующие siPHK

Эндогенные транс-действующие siPHK (ta-siPHK) — новый тип маленьких РНК, которые недавно были открыты у Arabidopsis. ta-siPHK, гидролизующие свои мРНК-мишени, обладают свойствами как siPHK, так и микроРНК. Подобно siPHK синтез двутяжевых РНК-предшественников ta-siPHKs зависит от RDR6 и SGS3. Как и микроРН К, ta-siPHК образуются в таких участках генома, которые мало сходны с их мРНК-мишенями. Для образования правильных ta-siPHK, комплементарных мРНК-мишеням, микроРНК настраивает фазовое расщепление предшественников двутяжевых РНК с помощью DCL4 (рис. 9.36) (Allen et al., 2005; Gasciolli et al., 2005).

ta-siPHK приписывают регуляторную роль в определении времени развития растения. Побег цветкового растения во время развития проходит две фазы перемен: вегетативную фазу с переходом от молодого в зрелое состояние побега и репродуктивную фазу, которая сопровождается ростом цветочных ветвей вместо вегетативных (рис. 9.1). В то время как индукция цветения изучена генетически довольно хорошо, вегетативная фаза перемен в побеге исследована гораздо хуже. Один из белков аргонавтов, ZIPPY/AG07, играет специализированную роль в таком фазовом переходе. При скрининге мутантов с преждевременными изменениями в вегетативной фазе развития побега, аналогичных zip, ago7 мутантам, были выявлены два гена (RDR6и SGS3), которые важны для PTGS (рис. 9.36) (Peregrine et al., 2004). Последующий анализ показал, что некоторые гены с контролируемой увеличенной экспрессией у rdrb и sgs3 мутантов замалчиваются посттранскрипционно с помощью ta-siPHK (Vazquez et al., 2004b). Эти данные свидетельствуют о том, что компоненты PTGS важны не только для защиты растения от вирусов и замалчивания трансгенов, но также и для контроля за временем включения пусковых механизмов развития растения. Пока еще не известно, есть ли у животных такие ta-siPHK.