Мхи и лишайники отличаются простотой своей морфологии — они не имеют корней, не цветут и не размножаются семенами, как это принято у подавляющего большинства современных растений.
Тем удивительнее оказались результаты первого анализа генома мха, показывающего существенно большую генетическую сложность этих растительных организмов, имеющих порядка 35 тысяч генов, что на 10 тысяч больше чем у первого растения, обитающего на суше, геном которого был расшифрован. Кроме того, геном изученного мха, как оказалось, кодирует уникальные адаптационные механизмы, не обнаруженные у других сухопутных растений.
По предположению ученых, именно эти мутации позволили водяным растениям начать колонизацию суши.
Различные виды мхов, равно как роголистников и печеночников, — это довольно примитивные формы растений, объединенных названием бриофиты. Они развились от предков водных цветущих растений около 450 миллионов лет назад. Путь растений, зародившихся в водной среде, на сушу через водорослеподобных предков был непрост. Он подразумевал выработку способности выдерживать большие температурные перепады и периодическое отсутствие воды. Кроме того, этим растениям было необходимо выдерживать существенно большую солнечную радиацию, чем их предкам, оставшимся в воде.
Эти эволюционные шаги, по мнению Джеффри Бура, профессора Калифорнийского университета, растениям пришлось преодолевать в пограничной зоне между сушей и водой, где растения на время лишались доступа жидкости.
В ходе эволюции мхи выработали ряд зачатков функций, которые так и не были «доведены до ума».
Среди них, в частности, сосудистые ткани, способные переносить воду, и семена, помогающие современным растениям пережить засушливые периоды.
Ученым наконец удалось взглянуть на геном общего предка всех наземных растений в результате масштабного эксперимента по изучению наследственной последовательности мха Physcomitrella patens и сравнения его с геномами риса, модельного растения Arabidopsis, а также одноклеточной водросли. Physcomitrella patens, как правило, проявляется на свежей береговой линии, где быстро цветет и погибает.
Первый сюрприз, который этот мох преподнес ученым, — обилие генов в геноме.
В своем комментарии к работе Ральф Катрано из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, отмечает, что многие из этих генов, например помогающий растениям вернуться к жизни после засухи, являются общим для многих современных растений, а потому появились гораздо раньше выхода растений на сушу. Во-вторых, как оказалось позднее, деятельность этого гена дублируется рядом других, развившихся в виде независимых механизмов, помогающих мху пережить трудные времена. Кроме того, у мхов обнаружились и дополнительные гены, восстанавливающие ДНК клеток в после разрушительного воздействия солнечных лучей.
Всего же в геноме P. Patens обнаружено примерно 500 миллионов нуклеотидов, последовательность которых кодирует порядка 36 тысяч генов. Это примерно в 2 раза больше, чем у человека.
Первые одноклеточные организмы появились примерно 500 миллионов лет назад. Их ДНК несла несколько сотен генов, отвечающих за выполнение определенных функций клетки. Первые исследования эволюции на генетическом уровне показали, что усложнение организма определяется увеличением количества генов, а следовательно значительным удлинением ДНК. В этом случае человеческая ДНК должна была бы нести на себе несколько миллионов генов. Как оказалось впоследствии, геном человека существенно короче, и состоит всего из 25 тысяч генов. Это ненамного больше чем у плодовой мушки (15 тысяч генов) или дождевого червя (20 тысяч).
Прямым следствием из этих фактов является наличие альтернативного механизма усложнения живых систем, развившегося на протяжении последних 500 миллионов лет – умение клеток использовать уже имеющиеся гены в различных целях. Биохимики до сих пор разводят руками на вопрос о молекулярном механизме, определяющем такую мультифункциональность генов. Однако общая схема такого процесса известна.
На развитие высших форм жизни, по всей видимости, оказала влияние химия молекулы, именуемой РНК полимеразой II. Этот фермент наряду с массой других биологических молекул, принимает участие в транскрипции информации, закодированной в цепочке ДНК в информационные РНК (иРНК), на основе которых в дальнейшем и происходит синтез всех белковых молекул. РНК полимераза II– наиболее продуктивная из всех полимераз, которых, вообще говоря, в клетке довольно много, и выполняет основную часть синтеза иРНК. Она претерпела сравнительно мало изменений в ходе эволюции живых организмов, и многие её структурные элементы идентичны у людей и бактерий.
Результат процесса экспрессии гена, который на самом деле оказался гораздо более сложным, нежели просто присоединение энзима к соответствующей последовательности нуклеотидов, определяется так же активной фазой переноса информации с ДНК на вновь составляемую последовательность иРНК. В этой фазе части новой РНК могут быть удалены, а оставшиеся куски молекулы вновь объединены в совершенно иную последовательность рибонуклеотидов. Этот процесс, называемый сплайсингом РНК, в некоторых случаях может приводить к образованию молекул иРНК, кодирующих тысячи различных белков на основе одного и того же гена в ДНК.
Известно так же, что РНК полимераза II в ходе эволюционного процесса выработала определенный структурный элемент, состоящий из повторяющихся блоков, образованных семью аминокислотами. В человеческом организме такая структура, названная «карбокситерминальным доменом» или КТД (англ. CTD), состоит из 52 повторяющихся блоков аминокислот. Она располагается как раз в том месте, где новая последовательность иРНК «выходит в свет» в ходе синтеза полимеразой II. В более простых организмах, например дождевых червей, эта структура состоит из 36 элементов, дрожжи имеют 26, а простейшие одноклеточные организмы вовсе не обладают КТД.
Не смотря на то, что участие КТД в экспрессии различной информации с одного и того же участка ДНК сомнениям не подвергается уже давно, ученые до сих пор не представляют, каким образом этот механизм реализуется на молекулярном уровне.
Ответ попытались дать две группы американских ученых, руководимые профессором Дирком Эриком в Институте клинической и молекулярной биологии и раковой генетики, а так же в Национальном исследовательском центре окружающей среды и здоровья в Мюнхене, и Шоной Мёрфи из Оксфордского университета, целью которых было объяснение причин проявления необычных структур РНК полимеразы II.
Работы под руководством Эрика и Мёрфи представлены в последнем выпуске журнала Science.
Научным группам Эрика и Мёрфи удалось показать необходимость различной степени фосфорилирования (присоединения к участкам молекулы протеина остатков фосфорной кислоты, анионов PO42-) аминокислоты серина, входящей в состав блоков, формирующих КТД в процессе создания специфических иРНК в процессе транскрипции одного и того же гена. Фосфорилирование же белков – основной механизм модификации структуры белков в клетке после завершения их синтеза, выполняемый особым классом ферментов – фосфотрансфераз.
Эти данные представляют фундаментальный научный интерес для дальнейшей расшифровки как механизма работы КТД, так и для изучения других молекулярных процессов в клетке. В свое время они должны привести к единому целостному пониманию раковых процессов, а так же появлению новых лекарств для борьбы с онкологическими заболеваниями.
Как докладывают коллеги Кантаро в публикации в Science, новыми для генетиков являются примерно 20% генов этого мха. По их мнению, эти гены могут быть специфическими генами мхов и лишайников.
Изученный мох представляет большой научный интерес в силу специфики своего строения, а также довольно короткого времени жизни, что позволяет сравнить его с мушкой дрозофилой — основным объектом генетических исследований зоологов.
Кроме того, ученые надеются получить и конкретный технологический результат из своей работы, так как планируют генетически привить современным сельскохозяйственным культурам способность восстанавливаться после полного водяного истощения.
Такие растения будут гораздо более устойчивы к засухам.
Однако Памела Солитис, эволюционный биолог из Университета Флориды, поспешила остудить пыл коллег, заметив, что рыбы и человек эволюционно настолько же далеки друг от друга, как мхи и рис. Так что эволюционное древо растений на сегодняшний день оказывается изученным с генетической точки зрения весьма поверхностно, а прививать рису гены мха — что выращивать у человека плавники и жабры.
По её мнению, прежде попыток генетической модификации ученым придется изучить геном еще не одного растения или мха, находящегося между этими двумя ветвями растительной эволюции.
