Epigenetsko dogajanje pri rastlinah

Uvod

DNA zaporedje samo nima vseh potrebnih informacij za določitev fenotipa organizma. Že dolgo je znano, da obstaja veliko odstopanj od normalne kvalitativne genetike, kamor lahko štejemo na primer paramutacije (interakcije med aleli, ki povzročijo dedne mejotske spremembe v ekspresiji enega od alelov) in transgeno utišanje (regulacija genov na transkripcijskem nivoju). Ti pojavi so pri rastlinah zelo pogosti in razširjeni. Dokaze za obstoj teh mehanizmov pa lahko najdemo v različnih okoliščinah.

Izjeme v kvalitativni genetiki

Interploidna križanja in vtisnjenje

V intraspecifičnih križanjih med rastlinami različnih ploidij je bilo opaziti, da je razvoj rastline odvisen od smeri interploidnega križanja. Zamenjava v smeri križanja ni povezana s spremembami v nukleotidnem zaporedju genov. Učinki izhajajo bodisi iz razlik v podedovanem citoplazemskem genomu ali pa je DNA prenesena preko materinskih ali očetovskih mejotskih gametofitskih programov. Citoplazemske učinke je možno izključiti, ker je usmerjen efekt viden šele, ko so jedrne ploidije različne. To vodi do edine logične razlage, da je najverjetneje neka oznaka dodana ali odstranjena od DNA med mejotskimi gametofitskimi procesi in ta sistem označevanja se razlikuje med moškimi in ženskami, prav tako pa ima tudi velik vpliv na razvojni proces endosperma. Če aleli istega lokusa niso enakovredno izraženi iz materinskega in očetovskega materiala govorimo o vtisnjenju. Pri normalnem razvoju rastlinskega endosperma so očetove kopije gena utišane, izražene pa so materine, v redkih primerih pa je lahko tudi obratno.

Interspecifični hibridi

Hibridi med različnimi vrstami rastlin nam dajo veliko nepredvidljivih rezultatov, ki se ne dajo pojasniti samo kot posledica interakcij med različnimi proteini. Gre za pojav t.i. nukleolarne dominance, ki je ponovljiv dogodek v mnogih hibridih, kjer so ogromne ponavljalne rDNA regije posledica prepisa genoma samo enega od staršev. To se kaže v izginotju aktivnega nukleolusa v enem izmed genomov.

Somaklonska variabilnost

Pri vzgajanju rastlinskih celic in tkiv, lahko regenerirane rastline pokažejo frekvence fenotipskih sprememb, ki so večje od pričakovanih ter so lahko stabilne ali ne. Stabilne klonske variacije lahko povežemo z nukleotidnimi mutacijami umetne kulture, ki so višje od pričakovanih. Nestabilne klonske razlike je težje razložiti, saj so posledica načina izražanja genov med različnimi stanji.

Paramutacija

Paramutacija zagotavlja jasen in nedvoumen primer popolnoma obrnjenega Mendlovega pravila za ravnanje z geni. In sicer naj bi pri heterozigotih en alel ne spreminjal ali vplival na izražanje drugega alela. V paramutaciji se pojavljajo različni razredi alelov; paramutageni, paramutabilni in nevtralni. Pri heterozigotih so paramutageni aleli sposobni pretvoriti paramutabilne alele v paramutagene alele, kar se opazi kot ogromen padec v ekspresiji izražanja lokusa. Sprememba paramutabilnega alela je dedna. Utišani alel, lahko ločeno od prvotnih paramutagenih alelov vpliva na druge alele (se obnaša kot paramutageni alel) in jih pretvori v paramutabilne (jih utiša). Takšno stanje je stabilno, vendar se lahko pretvori nazaj v paramutabilno. To kaže na to, da alteracija ne poteka na nukleotidnem nivoju.

Transgeno utišanje

Transgeno utišanje so znanstveniki odkrili pri delu s transgenimi rastlinami,pri čemer so največkrat dobili zanimive in nepričakovane rezultate (primer petunije, ki so ji dodali gene za kalkon sintaze, učinek pa je bil ravno utišanje the genov).

Utišanje preko RNA

Ključno vprašanje pri epigenetskih spremembah je, kako deluje prepoznavanje tarčne regije. Ugotovili so, da pri tem sodelujejo kratke RNA (siRNA), ki vodijo epigenetske modifikacije. Ekspresija dvojne RNA vodi do nastanka siRNA ter posledično do metilacije citozinskih regij homologne DNA. Za metilacijo rastlin je odgovoren gen DRM2, ki je homolog s sesalsko metiltransferazo 3. DRM2 je lahko tarča siRNA, ki nastaja pri ekspresiji dsRNA. Endoribonukleaza DCL3 proizvaja 24 nukleotidov dolgo siRNA, ki se veže v proteinu AGO4 in sicer na PAZ in PIWI domenah. Na AGO4 vezane siRNA vodijo aktivnost DRM2 za metilacijo. Točen mehanizem prepoznavanja tarčne regije še ni jasen. Lahko gre za DNA-RNA hibridizacijo ali RNA-RNA hibridizacijo. Pokazalo se je, da so epigenetske spremembe tudi od RNazeH katalitične aktivnosti, kar podpira hipotezo, da ima RNA-RNA hibridizacija pomembno vlogo pri usmerjanju epigenetskih modifikacij. Kopičenje siRNA molekul je pogosto odvisno od proteina RDR2 in pri rastlinah še od specifičnega proteina NRPD1A. Najverjetneje ta dva proteina pretvorita dsRNA v siRNA. NRPD1A deluje v kompleksu z NRPD2. Možna je tudi različica kompleksa pri kateri NRPD1A zamenja NRPD1B. Ena od domnevnih funkcij takega kompleksa je ustvarjanje transkripta, ki lahko hibridizira z siRNA vezano na AGO4. Tako pride do povezave AGO4 in NRPD1B (ter s tem celotnega kompleksa). Za lažji dostop proteina DRM2 do tarčne regije, je potreben protein DRD1. Nedavno je bilo ugotovljeno, da so številni proteini, ki sodelujejo metilaciji DNA sposobni prepoznavanja nuklearnih telesc (vključno s telesci »Cajal«, ki predstavljajo center za modificiranje številnih nekodirajočih RNA). Ta lokalizacija je najverjetneje potrebna za učinkovito kopičenje AGO4 z vezano siRNA preden se pomakne do nukleoplazme, kjer nato poteka metilacija DNA (seveda v prisotnosti proteina DRM2). Pri rastlinah se pojavlja metilacija na treh možnih zaporedjih: CG, CNG (kjer N predstavlja poljuben nukleotid) ali CHH (kjer je H lahko A, C ali T). Metilacija zaporedja CG poteka podobno kot pri sesalcih; sodelujeta proteina MET1 in DNMT1. Slednji ima večjo afiniteto do polmetiliranih substratov in tako ohranja CG metilacijo tudi pri transkripciji (med delitvijo celice). Pri ostalih metiliranih regijah se metilacija ohranja zaradi DRM2 in CMT3 (kromometilaza3). Nekateri lokusi so metilirani v regiji drm1 drm2 drm3. To metilacijo vzdržuje MET1. Metilacija na mestih CNG in CHH se od CG razlikuje v tem, da potrebuje za ohranjanje stopnje metiliranosti po replikaciji aktiven signal. Ta signal lahko ustvarja siRNA preko proteina DRM2. Zanimiva je tudi povezava med metilacijo histonov in ohranjanjem metiliranosti DNA. Kot že omenjeno je pri ohranajnju metiliranosti DNA pomemben CMT3. Njegova aktivnost pa je odvisna od metiltransferaze za H3K9 (to je histon3, ki ima na mestu 9 Lys).

Komuniciranje utišanih informacij

Epialel: alel z dedno razliko v ekspresiji, ki je posledica epigenetskih modifikacij in ne spremembe zaporedja nukleotidov v DNA. Dokler je epialel metiliran, je utišan, lahko pa pride do demetilacije in posledično do izražanja (prej vtišanih) genov. Paramutacija: alelna interakcija, ki povzroča mejotsko dedno spremembo v ekspresiji pri nekem alelu. Poglejmo si primer koruze. Na lokusu b1 je gen, ki kodira transkripcijski faktor za akumulacijo pigmenta antocianina. Epialel B' povzroča svetlejšo pigmentacijo; nastaja pa spontano, ko je koncentracija alela B-I nizka. Epialel B' spremeni preostale alele B-I v epialele B'. Na alelih so odkrili zaporedje, ki je odgovorno za paramutacije: 100 kb naprej od b1 so 853 baznih parov dolgi ponavljujoči odseki. Če je ponovitev samo enkratna gre za alel, ki ni sposoben paramutacije, če je ponovitev trikratna je paramutacija delna, če pa je ponovitev sedemkratna, je alel popolnoma aktiven pri paramutaciji. Omenjeni odseki so pri epialelih B' bolj metilirani kot pri alelih B-I. Pri B' se metilacija citozina pojavi šele po utišanju (torej ni vzrok le-tega). Pri rastlini A. Thaliana je gen FWA, ki je podoben b1. Ima namreč več ponovljenih odsekov DNA in če so le-ti metilirani pride do dednega utišanja ekspresije. Hipometilirana oblika fwa1 nastaja spontano in pri met1 mutantu povzroča prekomerno ekspresijo transkripcijskega faktorja FWA, kar se fenotipsko izraža kot poznejše cvetenje. Za razliko od koruznega b1, pri fwa nista metilacija in demetilacija povezani s prisotnostjo drugega alela.

Viri

• 1. R. T. Grant-Downton in H. G. Didckinson. Epigenetics and its Implications for Plant Biology. 1. The Epigenetic

Network in Plants. Annals of Botany 96: 1143–1164, 2005. www.aob.oxfordjournals.org

• 2. Ian R. Henderson1 in Steven E. Jacobsen. Epigenetic inheritance in plants. NATURE|Vol 447|24 May 2007
• 3.R. T. Grant-Downton and H. G. Dickinson. Epigenetics and its Implications for Plant Biology 2. The ‘Epigenetic

Epiphany’: Epigenetics, Evolution and Beyond. Annals of Botany 97: 11–27, 2006

• 4.Yoshiki Habu, Tetsuji Kakutani in Jerzy Paszkowski. Epigenetic developmental mechanisms in plants: molecules and

targets of plant epigenetic regulation.