Rozwikłanie genetyki endodermy w korzeniach roślin
Organizmy żywe dzielą wszystko na strefy, od organów aż do poziomu komórkowego. Rozdzielenie składników odżywczych i kontrolowanie sposobu ich rozprzestrzeniania się ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania biologicznego. Korzenie roślin są podzielone na strefy za pomocą cylindrycznej granicy znanej jako endoderma lub śródskórnia. Pasemka Caspary‘ego stanowią strukturę komórkową w endodermie, która kontroluje przepływ składników odżywczych do centralnej części korzeni. Mutanty, które nie potrafią utworzyć tej bariery, mają zahamowany wzrost i trudności w radzeniu sobie z warunkami stresu środowiskowego, więc zrozumienie, w jaki sposób rośliny rozwijają tę strukturę, jest korzystne zarówno z punktu widzenia badań podstawowych, jak i zastosowań praktycznych. „Rozwikłanie mechanizmów molekularnych stojących za powstawaniem pasemek może zwiększyć naszą ogólną wiedzę na temat wzrostu roślin” — mówi Anaxi Houbaert, badacz podoktorancki z Wydziału Biologii Molekularnej Roślin na Uniwersytecie w Lozannie i główny badacz w projekcie Wall-E. „Zidentyfikowanie wszystkich białek biorących udział w rozwoju pasemek Caspary‘ego może również umożliwić wyobrażenie sobie inżynierii genetycznej upraw w celu zwiększenia odporności na środowiska stresogenne". W ciągu ostatniej dekady poczyniono znaczne postępy w identyfikacji białek potrzebnych do utworzenia pasemek Caspary‘ego, choć genetyka leżąca u podstaw tego procesu jest złożona — wiele genów pełni tę samą funkcję, a niektóre mają kilka funkcji. W projekcie Wall-E, który był finansowany z programu działania „Maria Skłodowska-Curie”, Houbaert kierował zespołem opracowującym innowacyjny proces badań przesiewowych w celu rozwikłania tej genetycznej tajemnicy, poprzez odtworzenie procesu budowy pasemek Caspary‘ego od podstaw.
Znajdowanie odpowiednich genów za pomocą głównego regulatora
Aby zdefiniować minimalnie wystarczający zestaw genów, Houbaert i współpracownicy skupili się na czynniku transkrypcyjnym (czyli czymś, co reguluje aktywność genów) znanym jako myb36, który reguluje geny niezbędne do budowy badanej struktury. „Myb36 jest głównym regulatorem i bez niego po prostu nie powstają pasemka Caspary‘ego” — wyjaśnia Houbaert. W zmutowanych roślinach z wyłączonym myb36 występuje około 150 genów, które przestają działać, chociaż jest mało prawdopodobne, aby wszystkie 150 genów było odpowiedzialnych za budowę pasemek. Dlatego też zespół najpierw zawęził listę genów do zbadania, opierając się na wcześniejszej wiedzy, przewidywaniach i uzasadnionych założeniach. Otrzymano listę 60 genów kandydujących. Następnie naukowcy przekształcili mutanta myb36, umożliwiając ekspresję pięciu wcześniej scharakteryzowanych genów kluczowych dla budowy CS. Nawet przy ekspresji tych pięciu kluczowych genów roślina nadal nie mogła zbudować CS. Teraz zespół planuje wykorzystać technologię aktywacji genów CRISPR (CRISPRa), aby znaleźć wśród listy 60 kandydatów te geny, które poprawiają tworzenie się pasemek.
Zaawansowane techniki genetyczne
Projekt Wall-E z powodzeniem zademonstrował wykorzystanie CRISPR do koaktywacji wielu genów zaangażowanych w ten sam obwód genetyczny; a nowy proces przesiewowy może być stosowany z innymi organizmami. „Postawienie genetyki do góry nogami poprzez próbę odbudowania struktury od podstaw za pomocą przesiewowych badań odtwarzania stanowi potężne narzędzie do odkrywania nowych funkcji genów” — zauważa Houbaert. Dodaje, że może również uwydatnić luki w naszym zrozumieniu dowolnego szlaku molekularnego. Jeśli aktywacja określonych genów w szlaku nie prowadzi do przywrócenia funkcji, oznacza to, że inne geny również są niezbędne. „Podejście to można zastosować do dowolnego szlaku i różnych organizmów modelowych, ponieważ wykazano, że systemy aktywacji CRISPR działają dobrze zarówno u zwierząt, jak i roślin” — zauważa Houbaert. „Jedynym warunkiem wstępnym jest posiadanie wcześniejszej wiedzy na temat danego szlaku, aby można było wybrać geny kandydujące”.
Słowa kluczowe
Wall-E, roślina, korzeń, wzrost, pasemka Caspar‘ego, komórka, składniki odżywcze, CRISPR, gen, aktywacja
