Введение к работе
Актуальность проблемы.
Состояние стресса в растениях развивается под действием различных неблагоприятных факторов окружающей среды. Адаптация к неблагоприятным условиям среды достигается с помощью различных механизмов: генетических, биохимических, физиологических, морфо-анатомических и др.
Особенности структурной и функциональной организации генома, а также механизмы регуляции экспрессии генов обеспечивают надежность функционирования и приспосабливаемость организмов в меняющихся условиях окружающей среды. Координированная работа (экспрессия) большого числа генов возможна лишь благодаря наличию тонких регуляторных механизмов, определяющих место, время и уровень экспрессии каждого гена или группы генов.
В геноме эукариот гены на хромосомах распределены не случайно и одной из причин такого распределения является то, что негомологичные гены, участвующие в одних и тех же биохимических или физиологических процессах, или активирующиеся на определенных стадиях развития, часто локализованы поблизости друг от друга, образуя кластеры.
Хотя такие кластеры функционально-родственных генов найдены во многих модельных геномах, включая геном арабидопсиса, немногое известно о механизмах совместной активации и репрессии членов кластеров. На сегодняшний день, в основном, обсуждаются кластеры дуплицированных (гомологичных) генов, а так же кластеры тканеспецифичных генов. Практически полностью отсутствуют сведения о возможности образования кластеров генами, отвечающими на действие абиотических и биотических факторов внешней среды, а также сведения об их совместной регуляции.
Любой физиологический ответ растений контролируется на уровне регуляции генов, кодирующих соответствующие белки. Интенсивное развитие методов молекулярной биологии за последние 30 лет позволило перейти к изучению физиологических и биохимических реакций растительного организма на уровне действия конкретных генов и регуляции их активности. Достаточно отметить, что такие журналы, посвященные физиологии растений, как “Физиология растений”, “Plant physiology” и “Journal of plant physiology” публикуют не менее трети работ по изучению молекулярных механизмов, лежащих в основе физиологического ответа растений на действие внешних и внутренних факторов. В связи с этим, изучение регуляции активности генов в ответ на действие стрессоров, а так же их организации в геноме растений, является в настоящее время областью научной деятельности многочисленных активно работающих коллективов и принадлежит к наиболее актуальным и востребованным исследованиям.
Цель исследования.
Идентификация кластеров негомологичных совместно экспрессирующихся генов, отвечающих на атаку патогена, в частности вирусную инфекцию, в геноме арабидопсиса и изучение закономерностей их экспрессии.
Задачи исследования.
-
Применение методов компьютерной обработки баз данных с целью идентификации кластеров генов ответа.
-
Выполнение функциональной классификации генов ответа на биотический стресс.
-
Экспериментальное подтверждение результатов на модельной системе хозяин – патоген: A. thaliana и желтый штамм вируса мозаики огурца CMV(Y).
-
Изучение влияния R-гена на совместную экспрессию кластерных генов ответа.
-
Исследование возможной связи между модификацией H3K27me3 гистонов хроматина и экспрессией кластерных генов ответа.
Научная новизна.
Впервые, c использованием двух независимых компьютерных подходов (картирование EST и обработка данных, полученных в экспериментах с микрочипами), в геноме A. thaliana идентифицированы кластеры совместно экспрессирующихся негомологичных генов, отвечающих на инфекцию. Посредством метода полимеразной цепной реакции в реальном времени была изучена картина изменения экспрессии обнаруженных кластерных и близлежащих генов в ответ на вирусную инфекцию в модельной системе хозяин - патоген. Было изучено влияние R-гена (гена устойчивости) на совместную экспрессию кластерных генов. Кроме того, показана зависимость экспрессии кластерных генов от количества триметилированого 27-го лизина в третьем гистоне (модификации хроматина, одного из компонентов, определяющих уровень экспрессии генов у эукариот). Было также показано, что два гена A. thaliana (AT3G04715 и AT3G04717), которые считались псевдогенами, согласно последней аннотации генома, являются функциональными и активируются в ответ на вирусную инфекцию.
Практическая значимость.
Результаты, полученные в настоящем исследовании, расширяют существующие и формируют ряд новых представлений о регуляции экспрессии негомологичных кластерных генов ответа на биотический стресс. Были найдены новые и подтверждены уже известные закономерности ответа растений на вирусную инфекцию. Результаты представляют собой базу как для дальнейших фундаментальных исследований кластеров функционально-родственных негомологичных генов в целом, так и кластеров генов ответа на биотический стресс, в частности. Методология, примененная в работе, позволяет идентифицировать гены общего защитного ответа на биотический стресс, т. е. инфекцию тем или иным патогеном, и, тем самым, способствовать поиску новых неизвестных генов, участвующих в защитном ответе растения.
Апробация работы.
Отдельные части диссертации докладывались на следующих конференциях
APS Potomac Division Meeting (Ocean City, USA 2010);
First BARC-UMD Fall Symposium (MD, USA 2011).
Публикации по теме работы.
По теме диссертации опубликовано четыре статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, также опубликовано два тезиса докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации.
