Ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики» и Новосибирского государственного университета выявили два фрагмента некодирующей ДНК, ответственных за реакцию на появление гормона ауксина в клетках и тканях. Коллеги российских исследователей из Голландии и Испании экспериментально подтвердили, что эти участки ДНК действительно играют важную роль в регуляции ответа на главный растительный гормон. Например, блокирование лишь одного из фрагментов приводит к ослаблению растения. Также зарубежным ученым удалось обосновать и прогноз новосибирцев о том, что одна из найденных последовательностей отвечает не только за активацию работы ауксин-чувствительных генов, но и, в некоторых случаях, за подавление. Результаты совместной работы опубликованы в PNAS.

Гормон ауксин управляет протеканием практически всех процессов у растения с помощью специальных белков ответа на него. Однако до сих пор неизвестны подробности того, по какому принципу белки «выбирают» те или иные гены, чтобы запустить их работу. Международной группе ученых удалось закрыть часть белых пятен благодаря инициативе новосибирских биоинформатиков, которые специализируются на анализе полногеномных, а именно — транскриптомных данных. Последние дают сведения о том, какие гены активны в клетках или тканях.

«Мы начали этот проект давно, более семи лет назад. Мне было интересно понять, как ауксин — очень простое химическое соединение, регулирует почти каждое "движение" растения. Сделав распознавание данных, находящихся в открытом доступе, мы буквально "на кончике пера" открыли один из механизмов регуляции, обнаружив два элемента, которые очень часто встречаются в ауксин-чувствительных генах. Наши зарубежные коллеги подтвердили, что найденные последовательности играют значимую роль в регуляции ответа на гормон. Экспериментаторы генно-инженерным способом вводили мутации в ДНК, получали трансгенные растения, и выяснили, что если у них "выключить" даже одну из последовательностей, то меняется облик растения. В частности, у корня остается один сосудистый пучок вместо двух — организм ослабевает», — говорит старший научный сотрудник лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики факультета естественных наук НГУ, ведущий научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Виктория Владимировна Миронова, руководившая работой новосибирской научной группы.

Обнаруженные последовательности отвечают за присоединение специальных белков, реагирующих на гормон и запускающих транскрипцию — считывание генетической информации. Ученые ФИЦ ИЦиГ СО РАН и НГУ предсказали, что одна из последовательностей, состоящая из нуклеотидов TGTCGG гораздо более «привлекательна» для белков раннего ауксинового ответа, чем известная ранее и считавшаяся канонической последовательность TGTCTC.

Специалисты университета Вагенингена (Голландия) и Центра синхротронного излучения Альба (Испания) реконструировали кристаллографическую структуру ДНК. В результате исследователи увидели, что белки ауксинового ответа образуют дополнительную водородную связь с последовательностью TGTCGG и поэтому «предпочитают» взаимодействовать именно с этим фрагментом ДНК.

«Детализировав кристаллическую структуру с использованием синхротронного излучения, наши коллеги физически обосновали то, что мы обнаружили биоинформатическими методами», — подчеркивает Виктория Миронова.

Весной 2020 года новосибирские исследователи обработали массивы данных RNA-seq. Это наиболее современный метод изучения экспрессии генов. На предыдущих этапах работа велась с датасетами, произведёнными менее точным и чувствительным методом микрочипирования. Новые сведения позволили, во-первых, подтвердить правильность первоначальных выводов, а во-вторых, обнаружить связь одной из последовательностей не только с увеличением экспрессии гена в ответ на ауксин, а еще и со слабым ее подавлением.

«Моя задача состояла в сборе и обработке преимущественно RNA-seq данных, полученных при обработке растений ауксином. Причем нужно было выбрать те, для которых время обработки было от одного до шести часов,  так как нам требовалось проверить регуляцию раннего ответа на гормон. Мне предстояло определить парные последовательности, наиболее часто встречающиеся в промоторах — областях генов, которые отвечают за старт считывания генетической информации. Такие участки ДНК действительно обнаружились, и у одного из них мы нашли связь не только с активацией транскрипции, но и с ее подавлением», — объясняет соавтор статьи, аспирантка ФИЦ ИЦиГ СО РАН Яна Геннадьевна Сизенцова.

Яна Сизенцова проводит анализ данных, используя язык программирования R: сначала обрабатывает «сырые» данные — выравнивает их, затем сравнивает средние значения, выявляет статистически значимые, проводит коррекцию на множественное тестирование, объединяя несколько наборов данных. Последнее помогает избежать так называемой ошибки первого рода, когда различия между средними значениями ошибочно считаются значимыми. 

По мнению Виктории Мироновой, найденные закономерности можно в перспективе применять для управления приспособляемостью растения к внешним факторам. Причем, не привнося в растение чужеродных фрагментов ДНК, а лишь блокируя какие-либо участки в некодирующей части ДНК, которая еще совсем недавно считалась «мусорной». Такая методика принципиально отличается от разработки трансгенных растений, когда в ДНК вводится ген растения другого вида.

Исследования выполнялись при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований: гранты №18-04-01130 и №18-29-13040, бюджетного проекта  № 0324-2019-0040-C-01.

Лаборатория компьютерной транскриптомики и эволюционной бифоинформатики ФЕН НГУ

Сектор системной биологии морфогенеза растений ФИЦ ИЦиГ СО РАН

Источники

Новосибирские биоинформатики "выловили" участки ДНК, ключевые для развития растений
Наука в Сибири (sbras.info), 06/10/2020
В океане больших данных
Академгородок (academcity.org), 06/10/2020
В океане больших данных
Seldon.News (news.myseldon.com), 06/10/2020
Ключ к развитию. Найдены участки ДНК, отвечающие за выработку "гормона роста" у растений
Поиск (poisknews.ru), 06/10/2020
Пресс-релиз. Новосибирские биоинформатики "выловили" участки ДНК, ключевые для развития растений
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук (bionet.nsc.ru), 07/10/2020
Сибирские биоинформатики выявили ключевые для развития растений участки ДНК
Новосибирский государственный университет (nsu.ru), 14/10/2020
Ключевые для развития растений участки ДНК обнаружили биоинформатики
Навигатор (navigato.ru), 14/10/2020
Сибирские биоинформатики выявили ключевые для развития растений участки ДНК
ИА Байкал 24, 18/10/2020

Похожие новости

  • 27/05/2020

    В Новосибирске развиваются геномные исследования сельскохозяйственных растений

    Ученые Курчатовского геномного центра ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» займутся секвенированием пангеномов сельскохозяйственных сортов картофеля, пшеницы и ячменя и разработкой технологии компьютерного фенотипирования растений.
    465
  • 02/06/2020

    Найти лекарство от коронавируса и облегчить работу селекционерам: над чем сейчас работает Институт цитологии и генетики СО РАН

    ​Пригодилось для другого Когда мы начинаем узнавать новости о какой-то новой вирусной болезни, первым делом надеемся на то, что Академгородок и его учёные обязательно помогут — найдут лекарство от чего угодно.
    461
  • 04/06/2020

    В Новосибирской области будет создан аграрный научно-образовательный центр

    Актуальные вопросы разработки необходимых мер по организации аграрного научно-образовательного центра (АгроНОЦ) в регионе, взаимодействия аграрной науки, бизнеса и агропромышленного комплекса были рассмотрены 2 июня на выездном совещании под руководством заместителя Губернатора Вячеслава Ярманова.
    713
  • 12/02/2019

    Академику Владимиру Шумному исполняется 85 лет

    ​Владимир Константинович Шумный родился 12 февраля 1934 года в селе Ховмы Борзянского района Черниговской области. В 1958 году окончил Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова по специальности «ботаника».
    1278
  • 22/01/2020

    Академический час для школьников: лекция «Актуальные задачи на стыке нейробиологии, биофизики и компьютерного моделирования»

    ​22 января 2020 года в 15:00 в малом зале Дома ученых СО РАН состоится лекция директора Института систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН Андрея Юрьевича Пальянова «Актуальные задачи на стыке нейробиологии, биофизики и компьютерного моделирования».
    802
  • 02/01/2019

    Юбилей академика Николая Петровича Гончарова

    ​Николай Петрович Гончаров родился 2 января 1959 года в г. Тулуне Иркутской области. В 1981 году окончил биологическое отделение факультета естественных наук Новосибирского государственного университета.
    2215
  • 10/01/2017

    Академику Николаю Колчанову исполнилось 70 лет

    ​Николай Александрович Колчанов родился 9 января 1947 года в с. Кондрашино Омской области. В 1971 году окончил Новосибирский государственный университет. С 1974 года работает в Институте цитологии и генетики СО РАН, а с 2008 года - директор этого института.
    2734
  • 20/06/2018

    Возможные перспективы Академгородка 2.0

    ​Ведущие ученые СО РАН продолжили обсуждение проектов развития научной инфраструктуры Новосибирского научного центра. Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН выступил инициатором проекта «Сибирский центр малотоннажной химии».
    2053
  • 29/12/2017

    Биолог, психолог и востоковед рассказали о символе 2018 года

    Какая порода самая древняя? Почему собаки могут есть овсянку? Почему в Китае слагали легенды об этих животных и зачем вообще люди заводят собак? Ответы на эти вопросы ищите в материале ниже. Собака — родственник человека.
    1967
  • 14/11/2017

    Юбилей академика Михаила Ивановича Воеводы

    ​Михаил Иванович Воевода родился 14 ноября 1957 года в Новосибирске. После окончания в 1982 году Новосибирского Государственного Медицинского Университета обучался в клинической ординатуре по специальности «внутренние болезни».
    2990