”Skräp-DNA” visade sig hjälpa växten att klara köldstress

En stor del av det DNA som finns i organismer innehåller ingen genetisk information, och man trodde länge att det var skräp. Ny forskning har visat att mycket av detta ”skräp-DNA” faktiskt är aktiverat, men det har varit oklart varför. Nu har forskare från Umeå Plant Science Centre visat att denna aktivering av ”skräp-DNA” kan främja växternas överlevnad under stress.

Studien från Peter Kindgrens forskargrupp från Umeå Plant Science Centre och SLU publicerades nyligen i tidskriften The Plant Cell.

Vår genetiska kod är lagrad i DNA. När en gen aktiveras öppnas den dubbelsträngade DNA-spiralen upp så att de två enskilda strängarna, och genen som finns på den ena av dem, blir tillgängliga. Genen, som innehåller en ”byggbeskrivning” för ett protein, skrivs sedan om till RNA, som användas som mall för tillverkning av proteinet.

Hos människan innehåller endast en eller två procent av allt DNA gener. Resten har ansetts vara skräp. Nya sekvenseringstekniker har dock visat att en stor del av detta ”skräp-DNA” aktiveras och skrivs om till RNA-mallar, utan att användas för tillverkning av protein.

– Vi försöker förstå varför så mycket av detta ”skräp-DNA” aktiveras. Det är en stor fråga bland forskare eftersom det inte bara förekommer hos växter utan också hos andra organismer och är en stor investering, förklarar Peter Kindgren, gruppledare vid UPSC och forskare vid SLU. Vi tror att det finns en gemensam orsak till denna aktivering.

Peter Kindgren och hans forskargrupp fokuserade på ”skräp-DNA” som finns mitt emot en DNA-sträng med en gen. Det DNA som finns i sådana avsnitt kallas ”antisense”-DNA, och är komplementärt till det motsatta ”sense”-DNA-avsnittet (genen), på liknande sätt som de två olika strängarna i ett blixtlås. Forskarna har tidigare visat att denna typ av ”skräp”, antisense-DNA, oftast aktiveras och skrivs om till RNA i modellväxten backtrav, men hittills har bara ett fåtal exempel karakteriserats närmare hos växter.

Genom att gå igenom de kända exemplen försökte Peter Kindgren och hans grupp identifiera en generell funktion för denna aktivering av antisense-DNA. Deras hypotes var att den skulle kunna påverka regleringen av genen på den motsatta sense-DNA-strängen. Utmaningen var att komma på ett sätt att testa denna hypotes. De ville hämma aktiveringen av antisense-DNA utan att påverka aktiviteten hos genen på den motsatta strängen.

– Vi använde gensaxen CRISPR-Cas9 för att manipulera den region i antisense-strängen där omskrivning till RNA initieras. På så sätt kunde genen på sense-strängen fungera normalt och producera det protein den kodar för, medan en mindre mängd antisense-DNA skrevs om till RNA, säger Shiv Meena, artikelns försteförfattare. Han var tidigare postdoktor i Peter Kindgrens grupp, men har nyligen börjat bygga upp en egen forskargrupp i Indien vid National Institute of Plant Genome Research i New Delhi.

Forskarna koncentrerade sig på gener som slås på i backtrav vid kyla och som hjälper växten att anpassa sig. När aktiviteten i dessa gener stängdes av var växterna mindre toleranta mot kyla. Forskarna observerade ett liknande svar hos växterna som producerade mindre antisense-RNA. De drog slutsatsen att aktivering av antisense-DNA leder till en ökad aktivitet i genen på sense-DNA-strängen och tror att detta kan vara en vanlig mekanism hos växter, och särskilt viktig under stress.

– Vi har bara börjat förstå varför så mycket av detta antisense-DNA aktiveras i växter, men vi ser goda möjligheter att använda denna kunskap för att få växter att växa bättre och bli mer toleranta mot stress, säger Peter Kindgren

– Den här historien har legat och grott i labbet sedan min postdoktorstid. Det är fantastiskt att vi äntligen kunde publicera den. Ingen av de övriga inblandade personerna är egentligen kvar i mitt labb nu. En flyttade till Indien, en till Frankrike, en till Spanien, en till USA och en till Uppsala. Men vi klarade det!

Den vetenskapliga artikeln

Shiv Kumar Meena, Marti Quevedo, Sarah Muniz Nardeli, Clément Verez, Susheel Sagar Bhat, Vasiliki Zacharaki, Peter Kindgren. Antisense transcription from stress-responsive transcription factors fine-tunes the cold response in Arabidopsis. The Plant Cell, 2024; koae160, https://doi.org/10.1093/plcell/koae160

Kontaktperson

Peter Kindgren, forskare
Umeå Plant Science Centre
Institutionen för skoglig genetik och växtfysiologi
Sveriges lantbruksuniversitet, Umeå
peter.kindgren@slu.se, 073-840 02 72
https://www.upsc.se/peter_kindgren

Pressbild

(Får publiceras fritt i anslutning till artiklar om denna nyhet. Klicka för högupplöst bild. Fotograf ska anges.)

Backtrav i snö. DNA som tidigare har betraktats som ”skräp” har nu visat sig bidra till att denna växt klarar köldstress bättre. Foto: Vaughan Hurry