Специалисты из Института биологических исследований Солка выяснили, какие гены включаются или выключаются и в каком порядке, чтобы управлять клеточными процессами, необходимыми для защиты и восстановления генома в ответ на повреждение ДНК. Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрывает генетическую структуру, управляющую сложным биологическим процессом, который может объяснить, как растения в частности и организмы в целом справляются с повреждением ДНК, чтобы долго оставаться здоровыми.

Когда ДНК в клетке растения повреждена, за ремонт принимается целая «бригада». Один ген – «главный начальник» – контролирует сеть генов-«исполнителей», чтобы гарантировать, что разнообразные задачи, необходимые для защиты и восстановления генома, выполняются правильно и вовремя.

Ученые уже давно знают, что роль «начальника» играет ген по имени SOG1. Он координирует свои действия с различными генетическими исполнителями растительной клетки, чтобы обеспечить эффективную реакцию на повреждения ДНК. Но до сих пор не было ясно, какие конкретные гены были среди исполнителей, или как SOG1 взаимодействовал с ними, чтобы «отремонтировать» ДНК.

«Подобно тому, как здание со структурным повреждением может нести опасность, клетки с поврежденными ДНК, которые остаются незамеченными или не ремонтируются, могут быть опасными, – говорит ведущий автор исследования, Джули Лоу (Julie Law). – Тем не менее, сроки и общая координация событий, происходящих после обнаружения поврежденной ДНК, остаются недостаточно понятными. Действует ли SOG1 как микросистема управления, которая назначает каждому «рабочему» определённое задание, или он выполняет более скрытную роль? Мы на один шаг ближе к пониманию того, как реакция на повреждение ДНК со временем координируется для поддержания стабильности генома».

Чтобы лучше понять динамику регуляции генов в ответе на повреждение ДНК и определить непосредственную роль SOG1 в этом ответе, Лоу и ее команда провели серию экспериментов с Arabidopsis thaliana, сорняком, который обычно используют для генетических исследований. Ученые выращивали два комплекта саженцев сорняка: один комплект был нормальным, а другой набор содержал мутированную версию гена SOG1, что делало его нефункциональным.

Команда подвергла оба набора растений сильному ионизирующему излучению, чтобы разорвать двухцепочную ДНК. Затем они проанализировали изменения экспрессии генов, сравнив с контрольной группой растений, которая не была облучена. Изменения сравнивали в шести временных точках в диапазоне от 20 минут до 24 часов. Ученые обнаружили, что в течение этого времени экспрессия примерно 2400 генов увеличивалась или уменьшалась в ответ на повреждение ДНК. Причём почти все гены зависели от присутствия SOG1. Тем не менее, обнаружилось, что только приблизительно 200 генов (около 8%) были непосредственно активированы SOG1, что выявило первый уровень сложной сети регуляции генов и показало, что SOG1 берет на себя роль «надзирателя».

Чтобы понять, что делают эти 2400 генов, группа Лоу загрузила их данные в программу под названием DREM, которая идентифицирует гены с похожими паттернами экспрессии в течение всего 24-часового периода исследования. Команда идентифицировала 11 групп генов, которые действуют в разных временных масштабах и играют известные или прогнозируемые роли в различных аспектах реакции растений на повреждение ДНК.

Результаты работы могут быть полезны при исследовании повреждения ДНК и у других организмов. Существует много параллелей между SOG1 и геном у животных, который выполняет похожую функцию «начальника». Это ген р53, супрессор опухолей, известный своей ролью в борьбе с ростом раковых клеток.