Arabidopsis thaliana. Она характерна и для многих злаков, особенно для таких зерновых культур как озимый ячмень и озимая пшеница. Во многих случаях для цветения растений необходимо, чтобы за продолжительным холодным периодом следовало увеличение длины светового дня. Именно сочетание этих двух факторов гарантирует, что цветение начнется в наиболее благоприятное для этого время года.
Яровизация имеет несколько довольно интересных особенностей. С момента, когда растение впервые чувствует наступление холодной погоды и начинает реагировать на него, до начала цветения могут пройти многие недели или даже месяцы. В холодный период растение может продолжать расти вегетативно — с помощью деления клеток. Когда после яровизации родительского растения на нем появляются семена, они подвергаются «перезагрузке». Новым растениям, которые вырастут из этих семян, тоже придется пройти через холодное время года, прежде чем они сами смогут зацвести[274].
Эти особенности яровизации очень напоминают эпигенетические феномены у животных. А именно:
1. Растение обладает некой формой молекулярной памяти, поскольку раздражитель и конечная реакция на него отделены друг от друга неделями или месяцами. Мы можем сравнить это с аномальными реакциями на стресс взрослых крыс, испытавших в младенчестве пренебрежительное отношение со стороны родителей.
2. Эта память сохраняется даже после деления клеток. Это можно сравнить с тем, как клетки животных продолжают вести себя определенным образом уже после того, как родительская клетка испытала на себе действие некоего раздражителя, как это происходит при нормальном развитии или раке.
3. Эта память утрачивается в следующем поколении (у семян). Это сопоставимо с тем, как у животных бесследно стирается большинство изменений в соматических тканях, так что наследование по Ламарку является исключением, а не правилом.
Итак, как феномен, яровизация выглядит очень похожей на эпигенетику. За последние годы ряд лабораторий сумел подтвердить, что в основе яровизации, на уровне модифицирования хроматина, лежат именно эпигенетические процессы.
Ключевой ген, ответственный за яровизацию, называется FLOWERING LOCUS С или, сокращенно, FLC. FLC кодирует белок, называемый транскрипционным репрессором. Он присоединяется к другим генам и не позволяет им активироваться. Для цветения Arabidopsis thalianaособенно важны три гена — FT, SOC1 и FD. На рисунке 15.1 показано, как FLC взаимодействует с этими генами и какие последствия это имеет для цветения. Здесь же продемонстрировано, как меняется эпигенетический статус FLC после окончания продолжительного периода холодов.
Рис. 15.1. Эпигенетические модификации регулируют экспрессию гена FLC, репрессирующего гены, способствующие цветению, Эпигенетические модификации на гене FLC контролируются температурой
До наступления зимы промотор гена FLC несет на себе множество гистоновых модификаций, которые включают экспрессию гена. По этой причине ген FLC экспрессируется чрезвычайно активно, и белок, который он кодирует, связывается с генами-мишенями и репрессирует их. Благодаря этому растение существует в нормальной для себя вегетативной фазе роста. После зимы гистоновые модификации на промоторе гена FLC меняются на репрессивные и подавляют ген FLC. Уровни белка FLC падают, в результате чего активность генов-мишеней восстанавливается. Увеличение продолжительности светового дня при наступлении весны активирует экспрессию гена FT. Очень важно, чтобы к началу этой стадии уровни белка FLC понизились, поскольку, если они останутся высокими, гену FT будет крайне сложно реагировать на раздражитель солнечного света[275].
Эксперименты с мутировавшими версиями эпигенетических ферментов показали, что изменения гистоновых модификаций на гене FLC имеют принципиальное значение для контролирования реакции на цветение. Например, ген под названием SDG27 добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 4 на гистоне H3, то есть этот ген является эпигенетическим кодировщиком. Это метилирование связано с экспрессией активного гена. В лабораторных условиях ген SDG27 может быть подвергнут мутации, в результате чего он перестанет кодировать активный белок. Растения с этой мутацией имеют меньше таких активных гистоновых модификаций на промоторе гена FLC. Они вырабатывают меньше белка FLC и потому не столь успешно репрессируют гены, инициирующие цветение. Растения с мутировавшим геном SDG27 зацветают раньше, нежели нормальные растения[276]. Это свидетельствует о том, что эпигенетические модификации на промоторе гена FLC не просто отражают уровни активности гена, а на самом деле меняют его экспрессию. Именно эти модификации и вызывают изменение экспрессии.
Холодная погода стимулирует в растениях белок под названием VIN3. Этот белок может связываться с промотором FLC. VIN3 принадлежит к типу белков, которые называются реконструкторами хроматина. Они способы менять степень закрученности хроматина. Когда VIN3 связывается с промотором FLC, он меняет локальную структуру хроматина, делая ее более доступной для других белков. Часто подобное раскрытие хроматина приводит к повышению экспрессии генов. Однако в данном случае VIN3 притягивает еще один фермент, который может добавлять метиловые группы к гистоновым белкам. Но именно этот фермент добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 27 на гистоне H3. Эта модификация репрессирует экспрессию гена и является одним из наиболее эффективных способов, которыми пользуется клетка растения для подавления гена FLC[277][278].
По-прежнему неизученным остается вопрос о том, как холодная погода вызывает эпигенетические изменения конкретно на гене FLC. Какой механизм обеспечивает это явление? Нам все еще неизвестны многие детали, но на одну из стадий этого процесса уже пролит свет. После наступления холодной погоды клетки Arabidopsis thaliana вырабатывают длинную РНК, которая не кодирует белки. Эта РНК называется COLD AIR. Не кодирующая белки РНК COLDAIR локализована исключительно на гене FLC, где она связывается с ферментным комплексом, который создает важную репрессивную метку на позиции 27 гистона H3. Таким образом COLDAIR действует на ферментный комплекс как программирующий механизм [279].
Когда у Arabidopsis thaliana зарождаются новые семена, репрессивные гистоновые метки на гене FLC удаляются. Они заменяются активирующими хроматин модификациями, в результате чего при созревании семена происходит активация гена FLC, подавляющего цветения до тех пор, пока новые растения не переживут зимний период.
Из этих данных мы вправе сделать вывод, что цветковые растения определенно пользуются некоторыми из тех же эпигенетических приемов, которые присущи многим клеткам животных. В числе этих приемов мы можем назвать модификации гистоновых белков и использование длинной некодирующей РНК для программирования этих модификаций. Действительно, клетки животных и растений прибегают к этим инструментам ради различных конечных целей — вспомните плотника и хирурга-ортопеда из предыдущей главы, — но все это служит явным свидетельством наличия у растений и животных общего предка и одного базового набора инструментов.
Эпигенетическое сходство между растениями и животными этим не ограничивается. Как и животные, растения также продуцируют тысячи разнообразных маленьких молекул РНК. Они не кодируют белки, а вместо этого подавляют гены. Именно ученые, работающие с растениями, первыми выяснили, что эти очень маленькие молекулы РНК способны перемещаться из одной клетки в другую, подавляя экспрессию генов, встречающихся на их пути[280][281]. Благодаря этому эпигенетическая реакция на раздражитель распространяется от своей единственной начальной локации до самых отдаленных участков организма.
Исследования Arabidopsis thaliana показали, что растения пользуются эпигенетическими модификациями для регуляции тысяч генов[282]. Это регуляция, вероятно, служит тем же целям, что и в клетках животных. Оно помогает клеткам сохранять необходимые, но краткосрочные реакции на раздражители окружающей среды, а также блокируют дифференцированные клетки в постоянных схемах экспрессии специфических генов. Благодаря действию эпигенетических механизмов у людей не растут зубы на глазных яблоках, а у растений листья не появляются прямо из корней.
Цветковые растения обладают общим с млекопитающими характерным эпигенетическим феноменом, который не встречается ни у каких более представителей животного мира. Цветковые растения являются единственными известными нам организмами, за исключением плацентарных животных, у которых присутствуют импринтинговые гены. Импринтингом, как мы узнали из главы 8, называется процесс, при котором схема экспрессии гена зависит от того, был ли он унаследован от матери или от отца.
На первый взгляд это сходство между цветковыми растениями и млекопитающими представляется довольно странным. Однако у нас и наших цветущих родственников есть одна очень любопытная общая особенность. У всех высших млекопитающих из оплодотворенной зиготы возникает как эмбрион, так и плацента. Плацента питает развивающийся эмбрион, но в конечном итоге не становится частью новой особи. Нечто очень похожее имеет место, когда происходит оплодотворение и у цветковых растений. Этот процесс несколько более сложен, но в результате его оплодотворенное семя содержит в себе эмбрион и вспомогательную ткань, которая называется эндоспермом. Строение семени показано на рисунке 15.2.