Sdílet
14. srpna 2023
Tým vědců z výzkumného ústavu CEITEC Masarykovy univerzity a Biofyzikálního ústavu Akademie věd ČR (AV ČR) pod vedením Jiřího Fajkuse, Petra Fajkuse a Vratislava Pešky učinil fascinující objev týkající se rostlinné DNA a evoluce rostlinných telomer. Výsledky jejich studie byly nedávno publikovány v mezinárodním vědeckém časopise New Phytologist a mohly by mít významné důsledky pro budoucnost šlechtění plodin.
Ve složitém světě DNA chrání konce našich chromozomů důležitý mechanismus zvaný telomeráza, který zajišťuje stabilitu našeho genetického materiálu. Telomery jsou fyzické konce chromozomů. Obvykle se skládají z krátkých, tandemově uspořádaných opakování DNA. Jejich sekvence DNA je určena krátkou oblastí v podjednotce RNA enzymového komplexu zvaného telomeráza. Funkce telomer jsou do značné míry závislé na proteinech, které se s telomerami spojují. Telomeráza, telomerická DNA a přidružené proteiny proto představují komplexní, přesně vyladěný a funkčně konzervovaný mechanismus, který zajišťuje integritu genomu tím, že chrání a udržuje konce chromozomů.
Jakékoli změny v tomto mechanismu mohou ohrozit přežití organismu. Překvapivě se přesto v průběhu evoluce u některých rostlin vyvinuly jedinečné a neobvyklé sekvence DNA na koncích jejich chromozomů. Srdcem tohoto mechanismu je telomerázová RNA (TR), která řídí syntézu telomerové DNA. Mutace v TR mohou tedy změnit telomerovou DNA, a tím narušit její rozpoznávání telomerovými proteiny, což vede ke kolapsu ochranné funkce telomer. To může způsobit smrt buňky i organismu.
Michal Závodník, Jiří Fajkus, Petr Fajkus, Vratislav Peška a jejich kolegové hledali pravděpodobné řešení této záhady. "Postup byl velmi náročný, protože na jedné straně zabránění škodlivým komplikacím v telomerových funkcích přirozeně omezuje telomerovou diverzitu. Na druhou stranu telomerová DNA a telomerázová RNA vykazují u rostlin značnou evoluční divergenci. Použili jsme unikátní přístup a navrhli možné vysvětlení, jak se geny telomerázové RNA a podle ní syntetizované telomerové DNA vyvíjely a měnily v průběhu historie života na Zemi," vysvětluje Petr Fajkus.
Pomocí kombinace pokročilých počítačových analýz a experimentů v laboratořích vědci zkoumali, jak k těmto změnám dochází. Místo toho, aby vycházeli z jednotlivých roztříštěných experimentálních zjištění, zkoumali systematicky širokou škálu rostlinných druhů s dostupnými genomickými daty. To jim umožnilo identifikovat rostliny s neobvyklými telomerami a odpovídající telomerázové RNA zodpovědné za jejich syntézu. Dále zefektivnili celý výzkumný proces tím, že se při následné experimentální práci zaměřili již pouze na pozitivní nálezy.
Díky svému zkoumání vědci nalezli rostliny s více kopiemi genu telomerázové RNA (paralogy TR) schopné vytvářet různé telomery. "Navrhli jsme, že tvorba neobvyklých telomer může souviset s výskytem těchto TR paralogů, které mohou s menším rizikem akumulovat mutace. Více kopií genu TR může zabezpečit funkci telomer, protože ta pak již není závislá na jediném genu, ale je rozdělena mezi všechny kopie. Tento scénář odpovídá konceptu adaptivní evoluce," dodal jeden z hlavních autorů studie Michal Závodník.
V tomto případě se zdá, že mutace v genech kódujících proteiny vázající telomery podporují vývoj nových variant telomer, díky čemuž jsou dlouhodobě úspěšné. Experimentální analýzou výzkumný tým potvrdil přítomnost rozmanitých telomerových změn u rostlin s předpokládanými neobvyklými telomerami, které odpovídají přítomnosti různých paralogů TR s různými templátovými oblastmi.
Tato výzkumná studie poskytuje řešení záhady původu neobvyklých telomer u rostlin. "Místo toho, abychom neobvyklé telomery považovali za výjimky, vidíme je jako výsledek probíhajícího konkurenčního boje mezi duplikovanými geny TR, které často mutují a vyvíjejí se. Tento proces minimalizuje riziko ztráty životaschopnosti, jak naznačuje naše hypotéza. Tento aktualizovaný pohled na evoluci telomer vrhá světlo na to, jak vznikají nové druhy a jak se rostliny mohou křížit nebo procházet meiotickou segregací," vysvětluje Jiří Fajkus.
Telomerová DNA je nyní považována za produkt složité a dynamické evoluce TR. Tento průkopnický výzkum představuje fascinující způsoby, jakými se telomery vyvíjely, aby ochránily svůj genetický materiál chromosomů, aniž by ohrozily životaschopnost organismů. Tato studie nám tak poskytuje hlubší pochopení tajemství skrytých ve světě DNA. Tato zjištění by mohla mít významné důsledky pro šlechtění plodin.
Poděkování
Tato práce je především výstupem projektu GAČR-EXPRO, který je společným projektem Masarykovy univerzity a Biofyzikálního ústavu Akademie věd ČR. Klíčoví členové týmu (oba společní první autoři, Michal Závodník a Petr Fajkus) a všichni tři korespondující autoři (Jiří Fajkus, Vratislav Peška a Petr Fajkus) působí v těchto institucích. Dalšími spolupracujícími institucemi byly Ústav experimentální botaniky AV ČR (David Kopecký), Výzkumný ústav bramborářský Havlíčkův Brod, s.r.o. (Jiří Ptáček), Botanický ústav v Barceloně (Sonia Garcia), University of Portsmouth (Steven Dodsworth) a Instituto Tecnologico del Putumayo (Andres Orejuela).
Odborný kontakt
Vedoucí výzkumného centra, Vedoucí výzkumné skupiny senior
Osobní profil