Разгадана 30-летняя тайна гена ENOD40, ключевого для симбиоза бобовых с бактериями

Узлы Enod40-1-2/1 имеют морфологию, подобную дикому типу, и MtENOD40 и MtNF-YA1 имеют сходные пространственные паттерны экспрессии во время формирования зачатка узла. A. Продольные срезы (толщиной 7 мкм) узлов R108 и enod40-1-2/1 через 21 день после инокуляции S. melliloti 2011, контрастированные толуидиновым синим. B, C. Репрезентативные изображения РНК in situ локализации транскриптов MtENOD40 (A) и MtNF-YA1 (B) в зачатках узлов на стадии развития V. Автор: Опубликовано в Wijsmana et al 2025 в PNAS

Ген, идентифицированный более 30 лет назад, наконец раскрыл свою роль в качестве природной «губки» для микроРНК (miRNA), которая тонко настраивает процесс клубенькообразования у бобовых. Это стало возможным благодаря международному сотрудничеству под руководством Вагенингенского университета и Лаборатории Сэйнсбери Кембриджского университета. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Клубеньки — это специализированные органы на корнях бобовых растений, которые предоставляют дом и углерод почвенным бактериям в обмен на азот.

Ген раннего нодуляции (ENOD40) был впервые идентифицирован в 1993 году сотрудниками Вагенингенского университета у сои (Glycine max) как активный на ранних стадиях формирования корневых клубеньков.

Будучи одним из самых ранних ответов на почвенные бактерии, инициирующие образование клубеньков, ENOD40 долгое время служил маркерным геном для изучения симбиоза растений и микробов.

В течение нескольких часов после инокуляции и до каких-либо видимых изменений ENOD40 активируется в глубоких тканях корня, отмечая решение растения начать строительство «домов» для бактерий.

Однако его точная роль оставалась неясной. Исследователи обнаружили, что ENOD40 связывает miRNA, которая обычно подавляет позитивный регулятор нодуляции.

Известно, что miRNA регулируют экспрессию генов, связываясь с матричной РНК (мРНК). В данном случае мРНК кодирует позитивный регулятор, и miRNA направляет её на уничтожение. Связывая miRNA, ENOD40 тонко настраивает экспрессию позитивного регулятора для успешного формирования азотфиксирующих клубеньков.

Команда создала мутант модельного бобового растения Medicago truncatula, лишённый ENOD40, и обнаружила, что его способность формировать клубеньки была значительно снижена.

«Генетическая структура ENOD40 необычна: один конец кодирует крошечный пептид всего из 12–13 аминокислот, а другой содержит высококонсервативный участок РНК, известный как «box2», — сказала доктор Надия Мохд-Радзман, первый соавтор из Лаборатории Сэйнсбери Кембриджского университета.

«Эта область box2 имитирует сайт связывания для microRNA169, не позволяя ей нацеливаться на NF-YA1 — ключевой позитивный регулятор, необходимый в самом начале формирования клубенька».

«Это первый случай, когда мы обнаружили ген растения, сочетающий эти две необычные черты: он кодирует небольшой пептид со встроенной мимикрией под микроРНК».

Примечательно, что введение только области box2 (или даже искусственной мимикрии мишени микроРНК) восстановило большую часть утраченной способности.

«Это как обнаружить, что ваш верный старый лабораторный инструмент всё это время был сложным двойным агентом».

Доктор Мохд-Радзман описывает предполагаемую двойную функциональность ENOD40 как элегантную и необычную.

Эта двойная структура, где способность кодировать небольшой пептид встроена в некодирующую РНК-транскрипт, была первой в своём роде, обнаруженной у эукариот.

Более десяти лет спустя, в 2007 году, был идентифицирован похожий ген под названием tarsal-less у плодовых мух (Drosophila melanogaster). Как и ENOD40, он проявляет двойную функциональность, кодируя пептиды из более длинного мРНК-транскрипта.

«Эта работа не только решает давнюю загадку в молекулярной биологии растений, — сказала доктор Мохд-Радзман, — но и раскрывает новый уровень контроля в том, как растения тонко настраивают свои симбиотические отношения с микробами».

Доктор Радзман добавила: «ENOD40 — это truly многоаспектная молекула. Теперь, когда мы установили его функцию мимикрии мишени через box2, будущая работа углубится в то, как его пептид-кодирующий потенциал и структура РНК further способствуют нодуляции и не только, поскольку то, как эти особенности вовлечены в узлы растений, неясно. Связаны ли эти особенности с отдельными процессами или они переплетены, чтобы контролировать один и тот же процесс?»

«Новые инструменты, такие как single-cell и spatial transcriptomics, вскоре могут прояснить клеточно-специфическое взаимодействие между ENOD40, miRNA169 и NF-YA1, раскрывая более тонкие детали того, как бобовые оркеструют симбиотический органогенез».

«Эти выводы представляют собой важный скачок в нашем понимании lncRNA и пептидов растений с потенциальными последствиями для улучшения продуктивности бобовых культур и углубления нашего понимания РНК-опосредованной регуляции».

Больше информации: Franssen, Henk J., The Medicago truncatula lncRNA ENOD40 is a mediator of microRNA169-controlled NF-YA activity in nodule initiation, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2424231122

Источник: University of Cambridge