Uniwersytet Śląski w Katowicach

W poszukiwaniu mechanizmów kierujących regeneracją roślin

|dr Katarzyna Nowak|

Od lat intensywnie badane są genetyczne podstawy plastyczności komórek roślinnych. Poznanie mechanizmów sterujących przeprogramowaniem komórki organizmu roślinnego przyczyni się do opracowania efektywnych metod regeneracji roślin oraz ich modyfikacji genetycznej. Ta ostatnia jest potężnym narzędziem biotechnologii roślin. Niestety ważne z ekonomicznego punktu widzenia gatunki, m.in. jęczmień, kukurydza, sorgo czy ryż, są trudne w transformacji.

Główny problem stanowi uzyskanie komórek zdolnych jednocześnie do regeneracji i modyfikacji genetycznej. Odpowiednią metodą do przeprowadzenia tego procesu jest somatyczna embriogeneza – SE. Zrozumienie mechanizmów leżących u podstaw regeneracji ma szczególne znaczenie dla postępu w tej dziedzinie nauki. Identyfikacja regulatorów SE może być pomocna w przezwyciężeniu ograniczeń występujących podczas wykorzystania metod in vitro w biotechnologii u gatunków użytkowych trudnych w regeneracji.

W swojej pracy naukowej łączę ze sobą badania nad rolą wybranych cząsteczek miRNA i regulowanych przez nie czynników transkrypcyjnych – białek regulatorowych. Analizuję również mechanizm działania tych białek na ich geny docelowe. W ramach konkursu pn. „Swoboda badań” staram się przybliżyć mechanizm sterujący przeprogramowaniem komórek somatycznych, wykazując rolę małego RNA – miRNA172 oraz regulowanego przez niego genu – AP2, kodującego czynnik transkrypcyjny w tym procesie. AP2 pełni ważną funkcję w regulacji transkrypcji znanego od lat i ważnego dla SE genu. U podstaw tej regulacji leży usuwanie grup acetylowych z histonów prowadzące do ciasnego upakowania chromatyny, czyli zależnego od deacetylacji hamowania ekspresji genu.

Somatyczna embriogeneza jest specyficznym dla roślin procesem rozwoju zarodków z komórek somatycznych, czyli wszystkich komórek poza komórkami generatywnymi (rozrodczymi), bez poprzedzającego ten rozwój zapłodnienia. W trakcie procesu SE dochodzi do zmiany realizowanego do tej pory programu rozwojowego komórki i ukierunkowanie go na embriogeniczny szlak rozwoju. Skutkuje on odtworzeniem całego organizmu z pojedynczej komórki.

U podstaw tego przeprogramowania leży zmiana ekspresji setek genów, a za sterowanie nim odpowiedzialne są czynniki transkrypcyjne. Białka te posiadają domeny pozwalające na wiązanie się do DNA, dzięki czemu wpływają na ekspresję regulowanych przez siebie genów. Czynniki transkrypcyjne działają jako aktywatory, czyli włączają transkrypcję swoich genów docelowych, lub jako represory, hamując syntezę mRNA danego genu.

Negatywna regulacja ekspresji może być realizowana na kilka sposobów. Jednym z nich jest oddziaływanie czynnika transkrypcyjnego z białkami modyfikującymi chromatynę, takimi jak deacetylazy histonów (HDAC). Usuwanie grup acetylowych (deacetylacja) z histonów bezpośrednio wpływa na ciaśniejsze upakowanie chromatyny i prowadzi do ograniczenia dostępności DNA dla białek zaangażowanych w syntezę mRNA, a to z kolei prowadzi do zahamowania ekspresji genów.

Badania pokazują, że mechanizm zależnego od deacetylacji wyciszenia ekspresji genów jest bardzo istotny w tranzycji embriogenicznej komórek somatycznych. Regulacja działania genów może odbywać się również po procesie transkrypcji. W ten sposób miRNA (microRNA), poprzez przyłączanie się do transkryptów swoich genów docelowych, steruje degradacją mRNA tego genu bądź hamuje proces biosyntezy takiego białka.

Analizy wielu danych potwierdzają, że również ten poziom regulacji jest bardzo istotny dla zmiany programu rozwojowego komórki somatycznej. Tym bardziej że znaczna część miRNA w organizmie roślinnym reguluje właśnie działanie czynników transkrypcyjnych. Jak widać, regulacja ekspresji genów w przebiegu różnych procesów rozwojowych jest procesem niezwykle skomplikowanym i wielopoziomowym, który łączy ze sobą wiele różnych mechanizmów.