Экспрессия генной матрешки, кодирующей гомолог ингибитора пептидазы Кунитца, контролируется как на уровне трансляции, так и транскрипции

1 Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук, 119991 Москва, Россия

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва, Россия; электронная почта: dorokhov@belozersky.msu.ru

3 Сеченовский университет, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 05.05.2018
После доработки 05.07.2018

DOI: 10.1134/S032097251810010X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Agrobacterium tumefaciens, транзиентная экспрессия, ингибитор пептидазы Кунитца, генная матрешка, промотор, трансляция, абиотический фактор, полипуриновый блок.

Аннотация

Ген, кодирующий гомолог ингибитора пептидазы Кунитца (KPILP), содержит «вложенную» альтернативную открытую рамку считывания, контролирующую экспрессию материнской мРНК. В листьях интактного растения Nicotiana benthamiana содержание мРНК NbKPILP низкое, но резко увеличивается при длительном выдерживании растений в темноте или при введении чужеродной нуклеиновой кислоты. Возможно, помимо экспрессируемой альтернативной рамки, в механизме поддержания уровня мРНК NbKPILP важную роль играет активность промотора этого гена. Для выявления возможной роли промотора NbKPILP был выделен участок хромосомной ДНК N. benthamiana, определена его нуклеотидная последовательность и создана конструкция, где синтез мРНК репортерного гена E. coli uidA, кодирующего β-D-глюкуронидазу (GUS), находился под контролем промотора NbKPILP. При оценке эффективности направляемого исследуемым промотором или 35S-промотором вируса мозаики цветной капусты синтеза мРНК uidA в условиях транзиентной экспрессии показано, что уровень накопления GUS сравним для обоих промоторов. Длительное выдерживание агроинъецированных растений в темноте приводило к повышению содержания мРНК uidA, синтез которой направляется промотором NbKPILP. Проведенные эксперименты подтвердили ранее сделанные наблюдения, что, наряду с регуляцией на уровне транскрипции, эффективность накопления мРНК NbKPILP может определяться активностью альтернативной открытой рамки считывания, контролируемой полипуриновым блоком, расположенным перед ней, поскольку внесение мутаций в этот блок приводило к резкому увеличению содержания «материнской» мРНК. Внесение мутации в стартовый кодон альтернативный рамки приводило к многократному повышению уровня как материнской мРНК, так и кодируемого ей NbKPILP в клетках.

Текст статьи

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

ДЮЛ и КТВ задумали экспериментальную работу и разработали дизайн экспериментов. Большинство экспериментов проводила ШЕВ, а ЕНМ и БАМ провели несколько экспериментов. ДЮЛ, ШЕВ и КТВ оценили данные и составили план рукописи. ДЮЛ и КТВ пересмотрели и доработали рукопись. Все авторы прочли и одобрили рукопись.

Финансирование

Работа была выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках проекта № 16-14-00002 (разделы, посвященные исследованию транскрипционной активности гена NbKPILP) и гранта РФФИ (№ 17-29-08012 офи-м) (раздел, посвященный биоинформационному анализу proNbKPILP).

Благодарности

Авторы благодарны анонимным рецензентам за сделанные ценные замечания.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

1. Neto, J.R.C.F., da Silva, M.D., Pandolfi, V., Crovella, S., Benko-Iseppon, A.M., and Kido, E.A. (2016) Epigenetic signals on plant adaptation: a biotic stress perspective, Curr. Protein Pept. Sci., 8, 352–367.

2. Ribrioux, S., Brungger, A., Baumgarten, B., Seuwen, K., and John, M.R. (2008) Bioinformatics prediction of overlapping frameshifted translation products in mammalian transcripts, BMC Genomics, 9, 122.

3. Andrews, S.J., and Rothnagel, J.A. (2014) Emerging evidence for functional peptides encoded by short open reading frames, Nat. Rev. Genet., 15, 193–204.

4. Hayden, C.A., and Jorgensen, R.A. (2007) Identification of novel conserved peptide uORF homology groups in Arabidopsis and rice reveals ancient eukaryotic origin of select groups and preferential association with transcription factor-encoding genes, BMC Biol., 5, 32.

5. Tran, M.K., Schultz, C.J., and Baumann, U. (2008) Conserved upstream open reading frames in higher plants, BMC Genomics, 9, 361.

6. Vaughn, J.N., Ellingson, S.R., Mignone, F., and Arnim, A. (2012) Known and novel post-transcriptional regulatory sequences are conserved across plant families, RNA, 18, 368–384.

7. Jorgensen, R.A., and Dorantes-Acosta, A.E. (2012) Conserved peptide upstream open reading frames are associated with regulatory genes in angiosperms, Front. Plant Sci., 3, 191.

8. Bailey-Serres, J., and Ma, W. (2017) Plant biology: an immunity boost combats crop disease, Nature, 545, 420–421.

9. Juntawong, P., Girke, T., Bazin, J., and Bailey-Serres, J. (2014) Translational dynamics revealed by genome-wide profiling of ribosome footprints in Arabidopsis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111, 203–212.

10. Schepetilnikov, M., and Ryabova, L.A. (2017) Auxin signaling in regulation of plant translation reinitiation, Front. Plant Sci., 8, 1014.

11. Sesma, A., Castresana, C., and Castellano, M.M. (2017) Regulation of translation by TOR, eIF4E and eIF2α in plants: current knowledge, challenges and future perspectives, Front. Plant Sci., 8, 644.

12. Tanaka, M., Sotta, N., Yamazumi, Y., Yamashita, Y., Miwa, K., Murota,K., Chiba, Y., Hirai, M.Y., Akiyama, T., Onouchi, H., Naito, S., and Fujiwara, T. (2016) The minimum open reading frame, AUG-stop, induces boron-dependent ribosome stalling and mRNA degradation, Plant Cell, 28, 2830–2849.

13. Xu, G., Greene, G.H., Yoo, H., Liu, L., Marques, J., Motley, J., and Dong, X. (2017) Global translational reprogramming is a fundamental layer of immune regulation in plants, Nature, 545, 487–490.

14. Xu, G., Yuan, M., Ai, C., Liu, L., Zhuang, E., Karapetyan, S., Wang, S., and Dong, X. (2017) uORF-mediated translation allows engineered plant disease resistance without fitness costs, Nature, 545, 491–494.

15. Dong, X., Wang, D., Liu, P., Li, C., Zhao, Q., Zhu, D., and Yu, J. (2013) Zm908p11, encoded by a short open reading frame (sORF) gene, functions in pollen tube growth as a profilin ligand in maize, J. Exp. Bot., 64, 2359–2372.

16. Hanada, K., Higuchi-Takeuchi, M., Okamoto, M., Yoshizumi, T., Shimizu, M., Nakaminami, K., Nishi, R., Ohashi, C., Iida, K., Tanaka, M., Horii, Y., Kawashima, M., Matsui, K., Toyoda, T., Shinozaki, K., Seki, M., and Matsui, M. (2013) Small open reading frames associated with morphogenesis are hidden in plant genomes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, 2395–2400.

17. Sheshukova, E.V., Komarova, T.V., Ershova, N.M., Shindyapina, A.V., and Dorokhov, Y.L. (2017) An alternative nested reading frame may participate in the stress-dependent expression of a plant gene, Front. Plant Sci., 8, 2137.

18. Corley, M., Solem, A., Phillips, G., Lackey, L., Ziehr, B., Vincent, H.A., Mustoe, A.M., Ramos, S.B.V., Weeks, K.M., Moorman, N.J., and Laederach, A. (2017) An RNA structure-mediated, posttranscriptional model of human α-1-antitrypsin expression, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 114, 10244–10253.

19. Dorokhov, Y.L., Skulachev, M.V., Ivanov, P.A., Zvereva, S.D., Tjulkina, L.G., Merits, A., Gleba, Y.Y., Hohn, T., and Atabekov, J.G. (2002) Polypurine (A)-rich sequences promote cross-kingdom conservation of internal ribosome entry, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 5301–5306.

20. Маниатис Т., Фритч Э., Сэмбрук Д. (1984) в кн. Методы генетической инженерии. Мол. клонирование. Мир, Москва.

21. Lukyanov, S.A., Gurskaia, N.G., Luk’ianov, K.A., Tarabykin, V.S., and Sverdlov, E.D. (1994) Highly-effective subtractive hybridization of cDNA, Bioorg. Khim., 20, 701–704.

22. Lukyanov, K.A., Gurskaya, N.G., Bogdanova, E.A., and Lukyanov, S.A. (1998) Selective suppression of polymerase chain reaction, Bioorg. Khim., 25, 163–170.

23. Siebert, P.D., Chenchik, A., Kellogg, D.E., Lukyanov, K.A., and Lukyanov, S.A. (1995) An improved PCR method for walking in uncloned genomic DNA, Nucleic Acids Res., 23, 1087–1088.

24. Jefferson, R. (1987) Assaying chimeric genes in plants: the GUS gene fusion system, Plant Mol. Biol. Rep., 5, 387–405.

25. Pfaffl, M.W. (2001) A new mathematical model for relative quantification in real-time RT–PCR, Nucleic Acids Res., 29, 45.

26. Benfey, P.N., Ren, L., and Chua, N.H. (1990) Combinatorial and synergistic properties of CaMV 35S enhancer subdomains, EMBO J., 9, 1685–1696.

27. Odell, J.T., Knowlton, S., Lin, W., and Mauvais, C.J. (1988) Properties of an isolated transcription stimulating sequence derived from the cauliflower mosaic virus 35S promoter, Plant Mol. Biol., 10, 263–272.

28. Topfer, R., Prols, M., Schell, J., and Steinbiβ, H.H. (1988) Transient gene expression in tobacco protoplasts: II. Comparison of the reporter gene systems for CAT, NPT II, and GUS, Plant Cell Rep., 7, 225–228.

29. Ivanov, I.P., Loughran, G., and Atkins, J.F. (2008) uORFs with unusual translational start codons autoregulate expression of eukaryotic ornithine decarboxylase homologs, Proc. Natl. Acad. Sci., 105, 10079–10084.

30. Asano, K. (2014) Why is start codon selection so precise in eukaryotes? Translation, 2, e28387.

31. Chugunova, A., Navalayeu, T., Dontsova, O., and Sergiev, P. (2018) Mining for small translated ORFs, J. Proteome Res., 17, 1–11.