Grupa Rafała Archackiego

Regulacja ekspresji genów związana z chromatyną oraz jej znaczenie w kontroli rozwoju i wzrostu roślin

W komórkach eukariotycznych integralność i aktywność genomu jądrowego jest regulowana w istotnej mierze poprzez zmiany strukturalne chromatyny, określane często jako zmiany epigenetyczne. Podstawową, powtarzalną jednostką strukturalną chromatyny i zarazem substratem dla licznych białek enzymatycznych jest nukleosom, stanowiący kompleks DNA oraz białek histonowych (H3, H4, H2A, H2B). Uważa się, że zmiany struktury chromatyny (w uproszczeniu kondensacja lub dekondensacja) osiągane są dzięki skoordynowanemu działaniu rozbudowanej maszynerii modyfikującej jej podstawowe składowe. Przykładowo, niektóre zasady azotowe w DNA ulegają modyfikacjom chemicznym takim jak metylacja, natomiast histony ulegają rozmaitym modyfikacjom potranslacyjnym takim jak fosforylacja, acetylacja, metylacja i wiele innych. Ponadto, histony budujące nukleosomy mogą występować w postaci wariantów o różnych właściwościach (np. histon H2A i wariant H2A.Z). Struktura oraz rozmieszczenie nukleosomów ulegają też zmianie w wyniku procesu określanego jako ATP-zależna przebudowa (remodeling). Remodeling chromatyny opiera się na aktywności wielobiałkowych kompleksów, które są w stanie zmieniać pozycje, skład, lub usuwać całe nukleosomy z danej lokalizacji. W efekcie następuje zmiana dostępności sekwencji regulatorowych dla innych białek (np. czynników transkrypcyjnych), która może prowadzić do zmiany aktywności regulowanego genu. System ATP-zależnej przebudowy chromatyny jest silnie rozbudowany – ocenia się, że w komórkach kręgowców, a także roślin wyższych występuje przynajmniej kilkanaście różnych grup kompleksów posiadających taką aktywność, a każda grupa jest dodatkowo zróżnicowana na podtypy, najprawdopodobniej pełniące wyspecjalizowane funkcje.

Najlepiej poznaną grupą remodelerów są kompleksy SWI/SNF, odkryte po raz pierwszy u drożdży i silnie konserwowane ewolucyjnie u wszystkich eukariontów. W skład kompleksów SWI/SNF wchodzi od ośmiu do kilkunastu białek: centralna podjednostka katalityczna SNF2 o aktywności ATPazy, białka rdzeniowe (potrzebne do efektywnego procesu remodelingu in vitro) oraz dodatkowe białka pełniące zróżnicowane funkcje. U ssaków i roślin wyższych niemal wszystkie podjednostki SWI/SNF występują w postaci dwóch lub więcej paralogów i mogą formować kilka podtypów kompleksów: BAF i ncBAF, a u ssaków dodatkowo PBAF. Roślina modelowa Arabidopsis thaliana posiada 4 ATPazy typu SWI/SNF (BRM, SYD, CHR12, CHR23). Najwyższe podobieństwo do ATPaz drożdżowych i zwierzęcych wykazuje ATPaza BRM, posiadająca na C-końcu charakterystyczną dla jej odpowiedników bromodomenę i wchodząca w skład kompleksów typu ncBAF (Rys.1).

Dotychczasowe badania, włączając nasze, dostarczyły wielu cennych informacji na temat funkcji biologicznych kompleksów SWI/SNF w różnych grupach organizmów. Wiadomo, że uczestniczą one w regulacji transkrypcyjnej tak kluczowych procesów jak cykl komórkowy i różnicowanie, odpowiedź komórek na stres, a także ustalanie wzoru ekspresji genów sterujących rozwojem. Kompleksy SWI/SNF okazały się też ważnym elementem wielu ścieżek sygnałowych, a zaburzenia funkcji ludzkiego kompleksu SWI/SNF mają znaczącą rolę w powstawaniu wielu typów nowotworów. U roślin kompleksy są zaangażowane m.in. w regulację embriogenezy, rozwoju liści i kwiatów, inicjacji kwitnienia, a także w ścieżki sygnalizacji hormonalnej i odpowiedzi na stresy.

Warto podkreślić, że pomimo zaangażowania w tak liczne procesy, kompleksy SWI/SNF działają bardzo specyficznie – są one kierowane w danych warunkach fizjologicznych do ściśle określonych miejsc w genomie. U drożdży są to głównie obszary promotorów, u ssaków promotorów i enhancerów, a u Arabidopsis promotorów i terminatorów. Dzięki rekrutacji, w danym czasie i typie komórek regulacji podlegają tylko wybrane geny lub grupy genów. Mechanizm rekrutacji kompleksów SWI/SNF do docelowych miejsc nie jest w pełni poznany. Ważną rolę w tym procesie przypisuje się z jednej strony interakcjom kompleksu z czynnikami transkrypcyjnymi, a z drugiej ze zmodyfikowanymi nukleosomami, dzięki obecności odpowiednich domen w podjednostkach kompleksu (takich jak bromodomena mająca zdolność do wiązania acetylowanych histonów). Być może istotną rolę odgrywa też obecność histonów typu H1 (Rys.2).

Aktualne badania

Rozwijamy kilka kierunków badawczych związanych z regulacją na poziomie chromatyny:

• Rola kompleksu SWI/SNF w regulacji architektury pędu u Arabidopsis i jęczmienia

– badania prowadzone w ramach projektu NCN Opus (2025/57/B/NZ3/05020)

dostępne miejsca na doktorat

• Mechanizmy epigenetycznej rekrutacji remodelerów chromatyny w regulacji wzrostu i odpowiedzi roślin na stres

• Mechanizmy działania i regulacja aktywności kompleksów SWI/SNF w Arabidopsis

– badania prowadzone w ramach projektów NCN Sonata Bis (2017/26/E/NZ2/00899) oraz Preludium (2023/49/N/NZ2/03263, kierowany przez Katarzynę Kapelę)

• Powiązania remodelerów chromatyny z histonami H1 oraz kompleksami PRC u Arabidopsis

– badania prowadzone w ramach projektów NCN Sonata Bis (2017/26/E/NZ2/00899) oraz Preludium (2021/41/N/NZ2/04423, kierowany przez Ewelinę Małecką)

Nowe regulatory wzrostu roślin

Prowadzone w naszym laboratorium badania aplikacyjne miały na celu wytypowanie nowych substancji chemicznych zdolnych do modyfikacji wzrostu roślin użytkowych, tzn. substancji o charakterze regulatorów wzrostu lub herbicydów. Według dostępnych prognoz zapotrzebowanie na produkty pochodzenia roślinnego będzie systematycznie wzrastać. Jest to podyktowane koniecznością wyżywienia rosnącej populacji, a także zapotrzebowania różnych gałęzi przemysłu. Główne metody pozwalające na intensyfikację produkcji roślinnej to wprowadzanie nowych odmian oraz stosowanie środków ochrony roślin, takich jak regulatory wzrostu, herbicydy, fungicydy, czy insektycydy. W grupach tych poszukiwane są nowe substancje o zwiększonej skuteczności i bezpieczeństwie stosowania. W przypadku herbicydów jest to spowodowane w dużej mierze presją selekcyjną prowadzącą do narastania oporności chwastów na popularnie stosowane preparaty. Ponadto, zmieniające się uwarunkowania społeczne i środowiskowe powodują wycofywanie z rynku związków o wysokiej toksyczności, zarejestrowanych jeszcze w latach 60 i 70-tych XX w. Ma to odzwierciedlenie w legislacji na poziomie europejskim, w tym w programie Europejskiego Zielonego Ładu.

W ramach naszych badań wykorzystaliśmy analizy cheminformatyczne (we współpracy z grupą dr. hab. Pawła Siedleckiego, IBB PAN) do wygenerowania listy cząsteczek, które w modelach in silico wiążą się do wybranych białek roślinnych, nie będących celami dla obecnie stosowanych w rolnictwie substancji aktywnych. Cząsteczki były następnie analizowane pod kątem ich właściwości biologicznych z wykorzystaniem Arabidopsis (testy fenotypowe, analizy ekspresji genów), a na późniejszym etapie kilku dodatkowych gatunków roślin. W fenotypowych badaniach przesiewowych zidentyfikowaliśmy związek o nazwie tiosangiwamycyna (TSGM), który w zależności od zastosowanego stężenia prowadził do śmierci roślin lub bardzo silnie hamował ich wzrost (działanie o charakterze herbicydu). Związek ten został bliżej scharakteryzowany pod względem jego aktywności oraz toksyczności, a uzyskane wyniki stanowiły podstawę zgłoszenia użycia TSGM jako substancji chwastobójczej, co zostało objęte patentami (PL 240721, EP 20797545). Komercjalizacją substancji TSGM zajmuje się spółka spin-off Upgrow sp. z o.o.

Aktualne kierunki badawcze związane z regulatorami wzrostu roślin:

• Charakterystyka aktywnych substancji wykrytych w screenie fenotypowym

• Opracowanie i walidacja nowych modeli predykcyjnych opartych na AI/ML dla substancji o zastosowaniach agrochemicznych

– badania prowadzone są w konsorcjum z IBB PAN w Warszawie i Wydziałem Informatyki AGH w Krakowie w ramach projektu NCN Opus (2025/57/B/ST4/03400, kierownik projektu: dr hab. Paweł Siedlecki, IBB PAN)