1.4. Исследование растений внесло самый значимый вклад в эпигенетику

Самый ощутимый вклад в эпигенетику при исследовании различных растительных моделей внесли сведения из семеноводства. Определенные данные о различии организации эу- и гетерохроматина были получены в результате цитологического анализа мхов (Heitz, 1928). Первым доказательством так называемой неменделевской генетики (см. обзор Chandler and Stam, 2004) было обнаружение наследуемой, но обратимой экспрессии генов при взаимодействии аллелей у томатов и кукурузы, позднее названной парамутацией; это же выявлено теперь и у млекопитающих. Постоянное появление у растений цветков с измененной симметрией («peloria» или монстры) описано еще Карлом Линнеем; сегодня это могло бы объясняться образованием эпиаллели — стабильной эпигенетической модификацией регуляторного гена с такой же нуклеотидной последовательностью, как и у экспрессируемого гена (Cubas et al., 1999). В результате цитологического анализа растений выявлены существенные изменения во вторичной организации хромосом, которые оказались связанными с ядрышковым доминированием, с замолканием одного из наборов родительских генов рибосомных РНК у межвидовых гибридов, что определяется эпигенетической регуляцией (Pikaard, 2000). Пионерские исследования лауреата Нобелевской премии Барбары МакКлинток и других ученых транспозиции генетических элементов у кукурузы выявили множественные связи между генетикой и эпигенетической регуляцией (Fedoroff and Chandler, 1994). На самом деле именно анализ теперешних транспозонов и их дегенерированных останков послужил основанием для выявления эпигенетических модификаций в растительных геномах (раздел 3.4).

Когда техника трансгеноза стала уже рутинной в конце 1980 годов, благодаря использованию генетических маркеров были неожиданно достигнуты значительные успехи в исследовании эпигенетики табака, петуньи и арабидопсиса (Jorgensen, 2003; Matzke and Matzke, 2004). Была сформулирована концепция гомологичного замалчивания генов, когда стало ясно, что замалчивание генов часто коррелирует с наличием множественных копий связанных или несвязанных трасгенов. Разные случаи гомологичного замолкания генов обусловлены либо усиленным обменом мРНК (посттранскрипционное замалчивание генов, ПЗГ, PTGS) или репрессией транскрипции (транскрипционное замалчивание генов, ТЗГ. TGS). Оба эти процесса коррелировали с увеличением цитозинового метилирования молчащих генов. Наиболее яркий пример ПЗГ у трансгенной петунии вначале был назван «косупрессией». Были осуществлены попытки изменить окраску цветков путем усиления экспрессии генов халконсинтазы (CHS), определяющих пурпурную окраску лепестков, от пестрой до почти полностью белой. Потеря окраски была обусловлена скоординированным замалчиванием CHS трансгена и эндогенного CHS гена (Jorgensen, 2003). ПЗГ связано с интерферирующими РНК (PHKi), которые позже выявлены у Caenorhabditis elegans и других организмов (раздел 3.2).

В середине 1990-х годов была выявлена связь между ПЗГ и устойчивостью к вирусам. ПЗГ оказалось природным механизмом защиты растений от несанкционированной репликации вирусов, которые могут быть как индукторами, так и мишенью для ПЗГ. Это было установлено в опытах по замалчиванию генов у растений путем использования специально сконструированных вирусных векторов с последовательностями, гомологичными генам-мишеням, что и приводило к индуцированному вирусом замалчиванию генов ((VIGS; Burch-Smith et al., 2004). Наряду с этим было открыто метилирование ДНК, направляемое РНК (RdDM) у зараженных вироидами растений. Это послужило первым указанием на то, что РНК, воздействуя на ДНК по принципу обратной связи, может вызывать эпигенетические модификации (Wassenegger et al., 1994). Этот принцип был успешно использован для транскрипционной инактивации и метилирования промоторов с помощью специальных двутяжевых РНК (раздел 3.4, Управляемое РНК метилирование ДНК).