Forscher schließen letzte Lücken in der Genomsequenz von Arabidopsis

Arabidopsis thaliana ist eine weltweit für die Genforschung angebaute Art und war die erste Pflanze, deren vollständiger Chromosomensatz (ihr Genom) sequenziert wurde.

Die ursprüngliche Genomsequenz, die im Jahr 2000 veröffentlicht wurde, wies zahlreiche Lücken auf, doch technische Verbesserungen in den darauffolgenden Jahren schlossen die Lücken eine nach der anderen, bis nur noch zwei übrig blieben: große undefinierte Regionen auf den Chromosomen 2 und 4, in denen sich Gene wiederholen, die für ribosomale RNAs kodieren in hunderten Exemplaren.

Diese ribosomalen RNA-Gencluster, bekannt als Nucleolus Organizer Regions (NORs), sind bei Arabidopsis nicht nur schwer zu definieren; An den NORs bleiben Lücken in den Genomsequenzen fast aller Eukaryoten (Organismen, deren Zellen einen Zellkern haben), einschließlich des Menschen. Dies hat Studien zu den NORs und den darin enthaltenen Genen verhindert, die die RNAs von Ribosomen, den Proteinsynthesemaschinen aller lebenden Zellen, kodieren.

Die ribosomalen RNA-Gene werden auf eine Weise reguliert, die noch nicht vollständig geklärt ist. Beispielsweise ist bekannt, dass sie unter epigenetischer Kontrolle stehen, was bedeutet, dass sie unabhängig von ihrer Reihenfolge ein- oder ausgeschaltet werden können, aber es ist nicht klar, wie. Und bei vielen Krebsarten kommt es zu einer Fehlregulation der Gene.

Daher ist das Verständnis der ribosomalen RNA-Genregulation seit langem ein Schwerpunkt der biomedizinischen Forschungsförderung, zu der auch Studien an Pflanzen, Hefen, Fruchtfliegen, Mäusen und anderen Modellorganismen gehören.

Eine neue Studie, veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritteberichtet über die vollständigen Sequenzen für die beiden Arabidopsis-NORs und darüber, wie aktive und stille ribosomale RNA-Gene in den NORs verteilt sind. Das Papier wurde von den Postdoktoranden Dalen Fultz, Anastasia McKinlay und Ramya Enganti im Labor von Craig S. Pikaard, einem Forscher am Howard Hughes Medical Institute und angesehenen Professor, und Carlos O. Miller Professor in den Abteilungen Biologie und verfasst Molekulare und zelluläre Biochemie an der Indiana University Bloomington (IUB). Frühere Studien des Labors hatten basierend auf Gentests gezeigt, dass aktive und stille Subtypen ribosomaler RNA-Gene nebeneinander existieren, aber mit unterschiedlichen NORs assoziiert sind.

Die neue Studie identifizierte mehr als 70 verschiedene Gen-Subtypen, basierend auf subtilen Unterschieden, die entweder bei NOR2 oder NOR4 lokalisiert sind, aber nicht bei beiden. Da die Autoren die physikalischen Positionen aller dieser Subtypen kannten, führten sie Tests durch, um festzustellen, ob jeder Subtyp aktiviert oder deaktiviert war, um ribosomale RNA zu produzieren. Sie testeten auch, was in genetischen Mutanten passiert, die ihre ribosomalen RNA-Gene nicht zum Schweigen bringen können.

Sie fanden heraus, dass ein NOR in wachsenden Pflanzen fast vollständig stummgeschaltet ist, während das andere NOR für fast die gesamte ribosomale RNA-Genaktivität verantwortlich ist – allerdings nur in seiner zentralen Region. Es wurde festgestellt, dass Regionen mit hoher Genaktivität mit Regionen korrelieren, in denen die chemische Modifikation der DNA (durch Addition einzelner Kohlenstoffmethylgruppen) gering ist und in denen benachbarte Gene tendenziell demselben Subtyp angehören.

Die Ergebnisse geben einen ersten Einblick in die Organisation und Regulierung ribosomaler RNA-Gene im Kontext vollständiger NORs. Da sich die Aktivität von NORs auch bei anderen Arten, darunter Menschen und Fruchtfliegen, unterscheidet, liefern die Pflanzenstudien Erkenntnisse von großer biomedizinischer Relevanz. Die Studien ebnen auch den Weg für zukünftige Studien in Arabidopsis, die darauf abzielen, die epigenetische Kontrolle und Evolution von NOR zu verstehen, insbesondere die neu identifizierte Korrelation zwischen Genaktivität und Homogenisierung von Gensubtypen.