I progressi nella ricerca genomica rivelano siti alternativi di inizio della trascrizione in migliaia di geni della soia

Nel 2010, Jianxin Ma, professore di agronomia, e i suoi collaboratori hanno costruito il primo genoma di riferimento per la soia sulla varietà Williams 82, ampiamente studiata. Da allora, migliaia di scienziati e coltivatori di piante hanno utilizzato quel genoma nelle loro ricerche sulla composizione genetica alla base di varie caratteristiche, come le proteine ​​dei semi e il contenuto di olio, l’architettura e la produttività delle piante, la resistenza alle malattie e la tolleranza allo stress abiotico nei semi di soia.

Negli ultimi dieci anni, Ma, titolare della cattedra per il miglioramento della soia dell’Indiana Soybean Alliance Inc., è stato riconosciuto a livello internazionale per il suo contributo al genoma della soia, nonché per la sua continua ricerca e innovazione nel campo. Il suo lavoro più recente, pubblicato su The Plant Cell, ha utilizzato i progressi della ricerca genomica per colmare le lacune del genoma di riferimento originale della soia.

“Il genoma di riferimento era come un dizionario quando lo abbiamo annunciato”, ha detto Ma. “Ogni gene era come una singola parola. Tuttavia, mancava un’informazione fondamentale: i siti di inizio della trascrizione per i singoli geni.”

I siti di inizio della trascrizione sono posizioni nel DNA in cui una proteina specializzata in un fattore di trascrizione può attaccarsi e quindi costruire di fronte ad essa una copia di mRNA del gene. Quell’mRNA viene letto e tradotto nel ribosoma di una cellula per creare più proteine, importanti per la funzione chimica e fisica di ogni organismo.

Sapere dove inizia la formazione dell’mRNA sul filamento del DNA è una parte significativa della comprensione di come vengono espressi i geni. Questi siti di inizio contengono elementi regolatori e forniscono informazioni alla cellula su quando e dove trascrivere ciascun gene per produrre proteine ​​e con quale frequenza farlo in qualsiasi momento.

In genetica, è generalmente accettato che ciascun gene abbia un sito di inizio della trascrizione, situato a valle di una regione promotrice centrale e tipicamente attorno a una scatola TATA, una sequenza di DNA ricca di ripetizioni di timina e adenina. Ma Ma e i suoi colleghi non pensano più che sia così.

“Esiste una serie di siti di inizio della trascrizione previsti per oltre 50.000 geni nella soia, ma sulla base del nostro nuovo studio, meno del 3% di questi siti di inizio della trascrizione previsti sono effettivamente corretti”, ha detto Ma.

Nel 2020, lo sviluppo della tecnica Survey of TRanscription Initiation at Promoter Elements Sequencing (STRIPE-seq) ha offerto al laboratorio di Ma un modo efficace, efficiente, più rapido e più conveniente per identificare i siti di inizio della trascrizione nell’intero genoma della soia. Ha inoltre fornito informazioni sull’abbondanza relativa di ogni copia di mRNA, che fornisce indizi su quanto un gene sia espresso in tessuti e tempi diversi.

Con il finanziamento dell’Istituto nazionale per l’alimentazione e l’agricoltura (USDA-NIFA) del Dipartimento dell’agricoltura degli Stati Uniti e della National Science Foundation, Ma e il suo laboratorio hanno eseguito analisi STRIPE-seq su otto diversi tessuti della soia: foglie, steli, punte degli steli, radici , noduli, fiori, baccelli e semi in via di sviluppo. Anche se il DNA della pianta è coerente in tutti questi tessuti, l’espressione dei geni differisce.

Nel loro recente articolo, il laboratorio Ma ha identificato i siti di inizio della trascrizione per circa 40.000 geni nella soia. Hanno scoperto diffusi siti di inizio della trascrizione alternativi al di fuori della regione della scatola TATA e altre sequenze ritenute promotori. Alcuni siti appena identificati si trovano effettivamente nella sequenza codificante del gene che diventa un mRNA. Pertanto, le proteine ​​​​del fattore di trascrizione possono legarsi a diverse sezioni del gene e iniziare a produrre mRNA, ciascuna copia diversa da quelle iniziate in altri siti. Ciascun sito di trascrizione alternativo potrebbe potenzialmente creare una proteina diversa dallo stesso gene.

Un sottoinsieme specializzato di siti di inizio della trascrizione trovato dal gruppo era nei noduli radicali, una struttura sulle radici dei legumi che ospita l’interazione tra la pianta e Rizobia batteri. Questi microbi che vivono nel suolo fissano l’azoto per piante specializzate come i legumi in cambio di zuccheri e protezione. Questa simbiosi aumenta la sopravvivenza della pianta in terreni carenti di azoto senza l’uso di fertilizzanti azotati.

“Abbiamo trovato questi particolari siti di inizio della trascrizione nei noduli, ma non nelle radici o in altri tessuti, suggerendo che siano per la trascrizione tessuto-specifica e associati alla funzione specifica del nodulo”, ha detto Ma.

Affinché il DNA possa adattarsi al nucleo di una cellula, viene avvolto attorno alle proteine ​​istoniche per formare una struttura chiamata “cromatina”. A seconda dei marcatori chimici posizionati su questi istoni, la cromatina può essere avvolta strettamente – impedendo ai fattori di trascrizione di legarsi – o allentata, rendendola accessibile per generare copie di mRNA. Ma ritiene che questi cambiamenti “epigenetici” funzionino di pari passo con i siti alternativi di inizio della trascrizione nell’espressione genetica. Diversi siti di inizio della trascrizione possono diventare disponibili quando un gene viene stretto o allentato e possono essere create diverse proteine.

“Abbiamo trovato quasi 7.000 geni che hanno l’inizio della trascrizione alternativa all’interno delle sequenze codificanti. Questi siti di inizio della trascrizione alternativi tendono ad essere specifici del tessuto e associati a modifiche degli istoni”, ha detto Ma.

Dal punto di vista evolutivo, questi siti alternativi potrebbero essere stati utili per la soia e altre piante perché consentivano una maggiore complessità e adattabilità con un genoma limitato. I semi di soia hanno sperimentato due eventi di duplicazione dell’intero genoma nel corso della loro storia, entrambi diversi milioni di anni fa. Sebbene alcuni dei geni duplicati siano andati perduti, Ma ritiene che gli eventi di duplicazione possano aver dato origine a siti di trascrizione alterati o alternativi.

“Dopo la duplicazione, la maggior parte dei geni sono ancora in coppia; tuttavia, mostrano modelli di espressione diversi e molti si sono funzionalmente divergenti per regolare tratti diversi”, ha detto Ma. “Iniziano a trascrivere da siti diversi, contribuendo potenzialmente alla loro divergenza funzionale.”

Attualmente, Ma si sta coordinando con gli scienziati dell’USDA Agricultural Research Service Rex Nelson e Jacqueline Campbell per rendere questi dati di ricerca accessibili ad altri, proprio come ha fatto con il genoma di riferimento originale. Il gruppo sta aggiungendo i dati a SoyBase, un database online collaborativo per la ricerca sulla soia.

Nelson, curatore di SoyBase, ha spiegato: “Avere anche solo un potenziale sito di inizio della trascrizione aiuterà nell’analisi delle regioni promotrici dei geni della soia. Ciò potrebbe far luce sulle proteine ​​che interagiscono con i promotori e inducono la trascrizione”.

Campbell, co-curatore del database, ha aggiunto che “l’identificazione dei fattori di trascrizione che legano le regioni promotrici consentirà ai ricercatori di identificare le reti di interazione regolatoria dei geni coinvolte nella complessa regolazione dei geni in fenotipi importanti dal punto di vista agronomico”.

Ma è onorato di donare nuovamente alla comunità di ricerca. “Il database costituisce una risorsa importante sia per la ricerca di base che per quella applicata”, ha affermato. “Rendendo i nostri dati disponibili lì, catalizzamo ulteriori ricerche nella comprensione delle funzioni genetiche, dei meccanismi regolatori, delle reti genetiche e delle variazioni genetiche associate a tratti specifici di interesse. Man mano che comprendiamo meglio come questi siti di trascrizione alternativi influenzano tratti particolari, la speranza è di vedere questo ha portato a varietà di soia migliori.”