Zespół badaczy pod kierunkiem Xiaoqi Feng z Instytutu Nauki i Technologii w Austrii (ISTA) odkrył zjawisko, które może zmienić nasze rozumienie epigenetyki i rozmnażania płciowego u roślin. W pracy opublikowanej w czasopiśmie „Cell” naukowcy wykazali, że N4-metylocytozyna (4mC) – znana dotąd głównie z bakterii i rzadko spotykana u innych organizmów – odgrywa kluczową rolę w rozwoju oraz dojrzewaniu plemników wątrobowca Marchantia polymorpha, jednego z najstarszych przedstawicieli roślin lądowych.
Marchantia polymorpha (należąca do wątrobowców, a więc spokrewniona z mchami i glewikami) prawdopodobnie reprezentuje jedną z pierwszych linii roślin, które skutecznie skolonizowały lądy. Oprócz swojej znaczącej roli w ewolucji – przejściu z ekosystemu wodnego do lądowego – Marchantia zachowała prymitywny sposób rozmnażania płciowego: jej plemniki są uwalniane w kroplach wody (np. deszczowej), które rozpryskując się na roślinie, przenoszą gamety na osobniki żeńskie. Wiele molekularnych mechanizmów działania tych ruchliwych plemników wątrobowca pozostawało dotąd nieznanych.
N4-metylocytozyna (4mC) jest powszechnie spotykana u bakterii, gdzie pełni funkcję „kamuflażu” genomu – chroni przed enzymami rozpoznającymi i niszczącymi obcy DNA. Wśród modyfikacji epigenetycznych opartych na metylacji zasad wyróżniamy trzy główne markery: 4mC, 5mC i 6mA. Ponieważ dodanie grupy metylowej nie zmienia samej sekwencji DNA, wszystkie te modyfikacje zaliczane są do epigenetycznych, czyli „działających ponad” samym genomem. Dotąd 4mC nie było jednoznacznie potwierdzone u roślin ani zwierząt, co od dawna intrygowało naukowców.
Podczas badań nad funkcjonowaniem plemników w Marchantia, zespół Feng zaobserwował dwie fale intensywnej metylacji DNA w trakcie ich rozwoju. Pierwsza fala była związana z dobrze już znaną u eukariontów modyfikacją 5mC, odpowiadającą głównie za wyciszanie tzw. „skaczących genów”. Druga fala dotyczyła jednak rozległej metylacji w obrębie licznych dinukleotydów CG i nie dawała się wyjaśnić wyłącznie 5mC. Badacze zauważyli przy tym, że w momencie pojawienia się tej drugiej fali rosnącą ekspresję wykazują geny podobne do N4-cytozynowych metylotransferaz – enzymów odpowiedzialnych za 4mC u bakterii.
Dalsza, wieloetapowa analiza potwierdziła obecność 4mC w plemnikach Marchantia na niespotykaną dotąd skalę: około 15% wszystkich metylowanych cytozyn stanowiła właśnie N4-metylocytozyna (dla porównania, u bakterii wartość ta zwykle nie przekracza 1%). Jak wyjaśnia Feng, „tak wysokie poziomy 4mC były dla nas zaskakujące, ale różnorodne, niezależne metody badawcze potwierdziły wiarygodność tych wyników”. Co więcej, okazało się, że 4mC jest niezbędne do prawidłowego pływania i zapłodnienia przez plemniki Marchantia. Mutanty pozbawione tej modyfikacji poruszały się wolniej, rzadziej dochodziło u nich do zapłodnienia, a nawet gdy już do niego doszło, rozwój zarodka przebiegał nieprawidłowo.
Skąd wzięła się 4mC u wątrobowców? Badacze przypuszczają, że mechanizm ten został pozyskany drogą horyzontalnego transferu genów (HGT) z bakterii glebowych. Zjawisko HGT, choć w skali pojedynczego pokolenia wydaje się niezwykłe, w dłuższej perspektywie ewolucyjnej występuje dość często. Niewykluczone, że właśnie dzięki takim incydentom genetycznego „pożyczania” rośliny zyskały dodatkowe cechy przystosowujące do warunków lądowych.
Marchantia to dotąd jedyna grupa roślin, u której jednoznacznie wykazano występowanie 4mC, jednak autorzy publikacji sugerują, że nie jest to przypadek odosobniony. Wiele roślin i zwierząt przechodzi we wczesnych fazach rozwoju rozległe „przeprogramowanie” epigenetyczne – być może więc 4mC ujawnia się tylko w wąskim oknie czasowym. Jeśli tak, czeka nas być może odkrycie kolejnych organizmów eukariotycznych, w których 4mC pełni ważne funkcje.
Na podstawie: From bacterial immunity to plant sex