Связаны со старением. Отсутствие белка сократило длину теломер у распространенного сорняка

Биологи вырастили распространенный по всему миру сорняк — резуховидку Таля — с мутацией в гене, который отвечает за синтез белка AN3. Выяснилось, что если белок не производится растением, его теломеры укорачиваются на 16%, а стволовые клетки корня гибнут на 25% быстрее.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plant Molecular Biology.

У растений и животных на концах хромосом есть теломеры — некодирующие последовательности, которые защищают хромосомы от деградации и «склеивания» между собой. При каждом делении клетки теломеры укорачиваются, и, когда они достигают критической длины, клеточное деление останавливается и запускается апоптоз — программируемая гибель клетки.

Поэтому уменьшение длины теломер у большинства животных связывают со старением — неспособностью клеток делиться и приближением момента гибели. В активно делящихся — например, половых и стволовых клетках —существуют молекулярные «регуляторы» — ферменты теломеразы, — которые наращивают утраченные при делении последовательности.

Однако в обычных (соматических) клетках теломераза не активна, и это приводит к ограниченному количеству делений, неизбежной гибели клеток и, как следствие, старению организма. У растений арабидопсиса (Arabidopsis thaliana), риса (Oryza sativa) и других сельскохозяйственных растений длина теломер коррелирует со временем цветения, а также с реакцией растения на неблагоприятные условия окружающей среды. Так, чем длиннее теломеры, тем быстрее наступает цветение и тем больше растение оказывается приспособленным к стрессовым условиям.

Исследования показали, что разные популяции одного и того же вида могут иметь теломеры разной длины. Чтобы раскрыть причины таких различий, ученые стремятся понять механизмы, ответственные за установление изначальной генетически предопределенной длины теломер.

Исследователи из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) с коллегами определили, что у растений арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) в регуляции длины теломер участвует белок ANGUSTIFOLIA3 (AN3). Арабидопсис авторы выбрали в качестве объекта исследования потому, что геном этого растения полностью секвенирован (расшифрован), состоит всего из пяти хромосом и содержит множество белков, родственных с белками других организмов, в связи с чем удобен для анализа.

Ранее было известно, что белок AN3 контролирует деление и рост клеток растений, а поскольку эти процессы и укорочение теломер связаны между собой, авторы предположили, что он может отвечать и за формирование длины теломер.

Ученые заказали из коллекции трансгенных линий арабидопсиса семена двух линий с мутацией в гене, который отвечает за синтез белка AN3. Исследователи вырастили из этих семян несколько поколений взрослых растений арабидопсиса и сравнили длину теломер в их клетках с теломерами растений дикого типа, имеющих белок AN3. Оказалось, что теломеры арабидопсиса без белка AN3 были на 16,6% короче, чем у растений дикого типа.

Чтобы проследить механизм влияния белка AN3 на длину теломер растений, авторы исследовали, как одновременное подавление гена AN3 и ранее исследованного гена OLI2, также вовлеченного в процессы деления и роста, влияет на длину теломер. Выяснилось, что белки OLI2 и AN3 воздействуют на длину теломер у растений, контролируя клеточное деление с помощью общего молекулярного механизма, подробные этапы которого еще предстоит определить.

Более того, авторы обнаружили, что стволовые клетки корня растения с мутацией в гене AN3 гибнут на 25% быстрее, чем у растений дикого типа. Это косвенно подтверждает связь между длиной теломер и развитием стволовых клеток в образовательной ткани растения.

Поскольку сокращение теломер растений связано с различными физиологическими параметрами, такими как время цветения, репродуктивная способность и выживаемость, обнаруженный нами механизм может помочь лучше понять механизмы адаптации растений к условиям окружающей среды, а также найти возможные способы управлять этими процессами. Более того, структура и свойства теломер у разных групп ядерных организмов, к которым, в частности относятся растения, животные и грибы, довольно консервативна. Поэтому полученная нами информация о генах, участвующих в изменении длины теломер у арабидопсиса, может быть полезна при исследовании теломер широкого круга организмов.

• Инна Агабекян, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Агробиоинженерия» Института фундаментальной медицины и биологии КФУ

В исследовании принимали участие сотрудники Техасского университета A&M (США), Университета Маршалла (США) и Техасского университета в Остине (США).

Окрашенный кончик корня арабидопсиса дикого типа (а) и растений, лишенных белка AN3 (b-d) и белков OLI (e-g).
Стрелки указывают на мертвые стволовые клетки корня. Источник: Agabekian et al. / Plant Molecular Biology, 2024.

Изображение: пресс-служба РНФ