מתילציה של DNA היא אחד מכמה מנגנונים אפיגנטיים החיוניים לוויסות ביטוי גנים באורגניזמים אוקריוטיים.
Arabidopsis thaliana. קרדיט תמונה: Carl Davies, CSIRO / CC BY 3.0.
מתילציה של DNA היא תהליך ביולוגי נורמלי בתאים חיים שבו קבוצות כימיות קטנות הנקראות קבוצות מתיל מתווספות ל-DNA.
פעילות זו שולטת אילו גנים מופעלים ומכבים, מה שבתורו משפיע על תכונות שונות - כולל איך אורגניזמים מגיבים לסביבתם.
חלק מהעבודה הזו כרוך בהשתקה או כיבוי של קטעי DNA מסוימים שמסתובבים בתוך הגנום של האורגניזם.
מה שנקרא גנים קופצים, או טרנספוזונים, עלולים לגרום לנזק אם לא נשלטים עליהם.
התהליך כולו מווסת על ידי אנזימים, אבל יונקים וצמחים פיתחו אנזימים שונים כדי להוסיף קבוצות מתיל.
"ליונקים יש רק שני אנזימים עיקריים שמוסיפים קבוצות מתיל בהקשר DNA אחד, אבל לצמחים למעשה יש מספר אנזימים שעושים זאת בשלושה הקשרים של DNA", אמר פרופסור שוואה ז'ונג, חוקר ב-אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס.
"זהו המוקד של המחקר שלנו. השאלה היא - מדוע צמחים זקוקים לאנזימי מתילציה נוספים?"
"גנים מסוימים או שילובים של גנים תורמים לתכונות או תכונות מסוימות."
"אם נמצא בדיוק איך הם מוסדרים, אז נוכל למצוא דרך לחדש את הטכנולוגיה שלנו לשיפור היבול."
פרופסור ז'ונג ועמיתיה התמקדו בשני אנזימים שנמצאים במיוחד בצמחים: CMT3 ו-CMT2.
שני האנזימים אחראים על הוספת קבוצות מתיל ל-DNA, אך CMT3 מתמחה בחלקי ה-DNA הנקראים רצפי CHG, בעוד ש-CMT2 מתמחה בחלקים שונים הנקראים רצפי CHH.
למרות ההבדלים התפקודיים ביניהם, שני האנזימים הם חלק מאותה משפחת כרומומתילאז (CMT), שהתפתחה באמצעות אירועי שכפול המספקים לצמחים עותקים נוספים של מידע גנטי.
שימוש במפעל דגם נפוץ שנקרא, מחברי המחקר חקרו כיצד האנזימים המשוכפלים הללו פיתחו פונקציות שונות לאורך זמן.
הם גילו שאיפשהו לאורך ציר הזמן האבולוציוני, CMT2 איבד את יכולתו לבצע מתילציה של רצפי CHG. הסיבה לכך היא שחסרה בה חומצת אמינו חשובה בשם ארגינין.
"ארגינין הוא מיוחד כי יש לו מטען", אמרה ג'יה גווי, סטודנטית לתואר שני באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס.
"בתא, הוא טעון חיובי ולכן יכול ליצור קשרי מימן או אינטראקציות כימיות אחרות עם, למשל, ה-DNA הטעון שלילי."
"עם זאת, ל-CMT2 יש חומצת אמינו שונה של ולין. Valine אינו טעון, כך שהוא אינו מסוגל לזהות את ההקשר של CHG כמו CMT3. זה מה שאנחנו חושבים שתורם להבדלים בין שני האנזימים".
כדי לאשר את השינוי האבולוציוני הזה, החוקרים השתמשו במוטציה כדי להחליף ארגינין בחזרה ל-CMT2.
כפי שהם ציפו, CMT2 היה מסוגל לבצע גם מתילציה CHG וגם CHH. זה מצביע על כך ש-CMT2 היה במקור כפיל של CMT3, מערכת גיבוי שעוזרת להקל על העומס ככל שה-DNA נעשה מורכב יותר.
"אבל במקום פשוט להעתיק את הפונקציה המקורית, הוא פיתח משהו חדש", אמר פרופסור ז'ונג.
מחקר זה סיפק גם תובנות לגבי המבנה הייחודי של CMT2.
לאנזים יש מסוף N ארוך וגמיש השולט ביציבות החלבון שלו.
"זוהי אחת הדרכים שבהן צמחים התפתחו ליציבות הגנום ולהילחם בלחצים סביבתיים", אמר פרופסור ז'ונג.
"תכונה זו עשויה להסביר מדוע CMT2 התפתח בצמחים הגדלים במגוון כה רחב של תנאים ברחבי העולם."
התוצאותמופיעים היום ביומןהתקדמות המדע.
_____
גויet al.2024.התקדמות המדע, בעיתונות; doi: 10.1126/sciadv.adr2222
