«Биологические часы гарантируют, что растение регулирует свой метаболизм в зависимости от окружающей среды, — говорит Дороти Штайгер, — таким образом, позволяя ему напрямую использовать первые лучи солнечного света для фотосинтеза, например, для производства углеводов».Как показали лауреаты Нобелевской премии, отдельные гены в геноме растений, животных и человека контролируют биологические часы. Молекулы-мессенджеры — РНК-мессенджеры — производятся этими генами в определенное время суток. Эти молекулы запускают производство часовых белков, которые, в свою очередь, достигают своей максимальной концентрации в определенное время суток.
Белки часов включают и выключают свои собственные гены с 24-часовыми интервалами. Следовательно, они несут ответственность за свой собственный ритм.
Белки часов также обеспечивают активность других генов в клетке в наиболее подходящее время суток. В определенное время дня они запускают различные процессы: от раскрытия цветков и защиты растений от патогенов до ритма сна и бодрствования у людей.Теперь Штайгер и ее команда подробно изучили другую часть биологических часов, используя модельное растение Arabidopsis thaliana (кресс-тале). Они нашли «вспомогательные часы» — белок под названием «AtGRP7». «Интересно, что белок AtGRP7 ведет себя почти как часовой белок — он влияет на свой собственный 24-часовой ритм», — говорит д-р Тино Костер. «В результате количество белка AtGRP7 увеличивается днем и снова падает ночью».
Костер и его коллега доктор Катя Мейер — ведущие авторы исследования.По словам исследователей, за это отвечает ежедневный повторяющийся цикл, который можно разделить на три фазы. «На первой фазе белок связывается со своей собственной информационной РНК, вызывая ее деградацию в ночное время. На второй фазе уменьшение матричной РНК вызывает образование меньшего количества белка AtGRP7.
На третьей фазе уменьшенное количество белок гарантирует, что новая информационная РНК может сформироваться снова. «Это знаменует начало цикла снова и снова», — говорит Катя Мейер, которая только что защитила докторскую диссертацию в исследовательской группе Штайгера «Биология РНК и молекулярная физиология». Научная работа обоих Катя Мейер и Тино Костер в течение нескольких лет финансировались Немецким фондом академических стипендий.
Новое открытие исследования состоит в том, что белок не только связывается со своей собственной информационной РНК, но также способен влиять на множество других информационных РНК в клетке. Для этого команде Штайгера и их партнерам по сотрудничеству из Университета Галле-Виттенберг пришлось найти все информационные РНК в клетках растений, на которых расположен белок.
Для этого биологи подвергали растения облучению ультрафиолетом около двух минут. Это приводит к прочному связыванию информационных РНК с белком. Затем они выделили белок и идентифицировали связанные РНК с помощью высокопроизводительного секвенирования.
Этот новый метод называется iCLIP. Первоначально он был разработан для культур клеток животных. «Для нового исследования мы были первой в мире исследовательской группой, применившей метод iCLIP к целым растениям», — говорит Дороти Стайгер.На следующем этапе исследователи изучили, что белок делает со связанными информационными РНК в клетке. Для этого анализа исследователи искусственно увеличили количество белка AtGRP7 в нескольких растениях и изучили его влияние на информационные РНК. «Мы смогли показать, что повышенное количество AtGRP7 может нарушить ритм некоторых информационных РНК.
Это означает, что AtGRP7 действует как вспомогательные часы, являясь посредником между внутренними часами и информационными РНК в зависимости от времени суток», — говорит Катя Мейер. .Исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом (DFG) и служит фундаментальным исследованиям. «Наша цель — понять основные взаимосвязи в природе», — говорит Штайгер. «В этом случае мы узнаем, как биологические часы обеспечивают приведение в движение дополнительных вспомогательных часов. И мы узнаем, какие стратегии используют растения для адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды».