Gene expression, a case of regulation

Gene expression, a case of regulation

Expression of genes is regulated on multiple levels. Well known of these are the transcription factors, gene on/off switches. In addition, accessibility of the DNA determines if a gene can be transcribed or not. Moreover, there is regulation at the RNA level. Determining if and which part of the gene may be translated into a protein. Then there are long-non-coding RNAs, those interfere with transcription, mostly causing lower or stopping of the transcription. All by all a whole arsenal of possibilities to precisely regulate gene transcription. Now Polish researchers found a new kind of regulator.

The research started with studying the delayed germination of seeds grown in a salty environment. The researchers studied plants with and without the DOG1, a gene that delays germination. When salt was present, seeds with the DOG1 gene germinated slower than they normally would. But this was not the case in plants without a DOG1 gene. While seeds that made extra DOG1 proteins germinated extra slow.

This way of regulation was unknown till now

Subsequently the researchers analysed the gene expression during the germination in a salty environment. Here the noticed something out of the ordinary. On the DNA the region in front of the DOG1 gene showed a strong expression during salt stress. Only, no known genes were located on this part of the DNA. After analysis it turned out that this region of the DNA encoded multiple long-non-coding RNAs, which the researchers named PUPPIES.

Now the big question was: What does PUPPIES do? The researchers observed that PUPPIES is turned on when there is salt stress. And when PUPPIES is on, then DOG1 is also turned on. But this is not the case the other way around. DOG1 is also turned on during heat stress, but not PUPPIES. More transcription of PUPPIES results in more transcription of DOG1 during salt stress.

It turns out that the higher transcription of PUPPIES causes more molecules of polymerase II (the enzyme that transcribes the DNA into RNA) to accumulate at the start site of the DOG1 gene. This in turn results in more transcripts of the DOG1 gene, and subsequently in a delay in germination. This way of regulation was unknown till now. So can the studying the delay of germination during salt stress led to the discovery of a new way of gene regulation.

Literature

Miguel Montez, Maria Majchrowska, Michal Krzyszton, Grzegorz Bokota, Sebastian Sacharowski, Magdalena Wrona, Ruslan Yatusevich, Ferran Massana, Dariusz Plewczynski, and Szymon Swiezewski (2023) Promoter-pervasive transcription causes RNA polymerase II pausing to boost DOG1 expression in response to salt. The EMBO Journal e112443 https://doi.org/10.15252/embj.2022112443

Genexpressie een kwestie van regulatie

Genexpressie een kwestie van regulatie

Expressie van genen is gereguleerd op meerdere niveaus. Het bekendste hiervan zijn de transcriptie factoren, gen aan/uitzetters. Daarnaast bepaald de toegankelijkheid van het DNA of een gen kan worden afgelezen of niet. Ook is regulatie op RNA-niveau bepalend of en welk gedeelte van het gen omgezet mag worden in eiwit. Dan zijn er ook nog long-non-coding RNAs die zich bemoeien met de transcriptie zelf, veelal zorgend dat deze vertraagd of stopt. Kortom een heel arsenaal aan mogelijkheden om heel precies de expressie te reguleren. Nu hebben Poolse onderzoekers een nieuw soort regulator gevonden.

Het onderzoek begon met het bestuderen van wat de ontkieming van zaden vertraagt in een omgeving met veel zout. Daarvoor keken ze naar planten met en zonder gen DOG1, dat ontkieming vertraagt. In de aanwezigheid van zout ontkiemen planten met het DOG1 langzamer dan normaal. Maar dit was niet het geval in planten zonder het DOG1 gen. Terwijl zaden van planten die meer DOG1 eiwit aanmaken er juist nog langer erover doen.

Deze manier van reguleren was nog onbekend

Vervolgens keken de onderzoekers naar de expressie van de genen tijdens het ontkiemen in een omgeving met veel zout. En daar zagen ze iets opvallends. De regio op het DNA voor het DOG1 gen vertoonde een sterke expressie wanneer er spraken was van zout stress. Alleen zat daar geen bekend gen. Na analyse bleek dat dit stuk DNA meerdere long-non-coding RNAs te coderen, welke de onderzoekers PUPPIES noemde.

Nu was de grote vraag: wat doet PUPPIES? De onderzoekers zagen dat PUPPIES aanstaat wanneer er zout stress is. En staat PUPPIES aan dan staat DOG1 ook aan. Al is dat andersom niet het geval. DOG1 gaat ook aan wanneer er spaken is van hitte stress, maar PUPPIES blijven dan slapen. Meer transcriptie van PUPPIES zorgt dus voor meer transcriptie van DOG1 gedurende zout stress.

Het bleek dat de hogere transcriptie van PUPPIES ervoor zorgt dat meer moleculen polymerase II (het enzym dat de DNA-transcriptie in RNA verzorgd) bij het begin van het DOG1 gen komen. Wat uiteindelijk meer transcripties van het DOG1 gen maakt, en zo voor vertraging in zaad ontkieming zorgt. Deze manier van reguleren was nog niet bekend. Zo heeft onderzoek naar ontkieming gedurende zout stress ervoor gezorgd dat er een nieuwe manier van genregulatie is ontdekt.

Literatuur

Miguel Montez, Maria Majchrowska, Michal Krzyszton, Grzegorz Bokota, Sebastian Sacharowski, Magdalena Wrona, Ruslan Yatusevich, Ferran Massana, Dariusz Plewczynski, and Szymon Swiezewski (2023) Promoter-pervasive transcription causes RNA polymerase II pausing to boost DOG1 expression in response to salt. The EMBO Journal e112443 https://doi.org/10.15252/embj.2022112443

Gene editing via grafting

Gene editing via grafting

Something we cannot ignore is our need for better plants. Plants that can deal better with extremes, like drought, heat, or salt. Plants that are better protected against pests. That have a higher yield. That are more nutritious. A whole shopping list. And rather yesterday than today. Techniques like gene editing can help to get there quickly. But unfortunately, we cannot use it on all crops. Now a team of German scientist thinks it has found a solution.

In order to perform gene editing, researchers place the editing machinery, like the Cas enzyme, together with a guid RNA into some of a plant cells. Only in these cells gene editing takes place. Using tissue culture researchers grow these cells back into a whole plant, with in each cell containing the editing change. This last part, growing a new plant from a single cell using tissue culture, is not something researchers can do for all crops.

To avoid this barrier, German researchers ask themselves the question if it was possible using grafts to transfer from one plant to another the gene editing machinery and guide RNA. Plants use for their communication mobile signals, of which mobile RNAs are one. The researchers used this knowledge. They added a mobility signal to the gene editing machinery and the guide RNA, and place those into Arabidopsis, tale cress.

The first steps of a promising technique

Subsequently they grafted the roots of a plant with the gene editing machinery onto a shoot of a plant without the gene editing machinery and analysed the result. In plants with gene editing machinery without the mobile signal not much happened. But when the mobility signal was there, then the researchers observed gene editing in the shoot. Moreover, offspring of these plants had the editing change in their DNA but not the gene editing machinery.

To test if they could use this method to change genes in distantly related species, the researchers grafted an oilseed rape shoot onto tale cress roots. And just like before, the researchers observed gene editing taking place in the shoot.

With this technique it is possible to use gene editing on plants that can not be grown from a single cell with tissue culture. The first steps of a promising technique. Hopefully one that will help to make all our crops future proof.

Literature

Yang, L., Machin, F., Wang, S., Saplaoura, E., and Kragler, F. (2023) Heritable transgene-free genome editing in plants by grafting of wild-type shoots to transgenic donor rootstocks. Nat Biotechnol. https://doi.org/10.1038/s41587-022-01585-8

Gen editing via enten

Gen editing via enten

Iets waar we niet onderuit kunnen is de noodzaak voor betere planten. Planten die beter tegen extremen, zoals droogte, hitte, of zout kunnen. Planten die beter beschermd zijn tegen plagen. Een hogere opbrengst hebben. Voedzamer zijn. Een hele waslijst. En liever gisteren nog dan vandaag. Technieken zoals gen editing kunnen helpen om dit snel voor elkaar te krijgen. Maar helaas kunnen we die niet voor alle gewassen gebruiken. Een team van Duitse onderzoekers denkt hier nu iets op gevonden te hebben.

Voor gen editing plaatsen onderzoekers de editing machinerie, zoals het Cas enzym, met een gids RNA in plantencellen. Alleen in deze cellen vindt gen editing plaats. Met behulp van weefselkweek groeien onderzoekers deze cellen vervolgens uit tot een hele plant, met in elke cel de oorspronkelijke verandering. Dit laatste, het met behulp van weefselkweek groeien van een plant uit een enkele cel, lukt helaas niet voor veel gewassen.

Om deze hindernis te omzeilen analyseerde de Duitse onderzoekers of het mogelijk is om de editing machine en gids-RNA doormiddel van enten aan een plant te geven. Planten maken voor hun communicatie gebruik van veel mobile signalen, onder andere mobile RNAs. Van deze kennis maarke de onderzoekers gebruik. Ze voegde het mobiliteitssignaal aan de gen editing machinerie en het gids-RNA, en plaatste dit vervolgens in Arabidopsis, zandraket.

De eerste stappen van een veel belovende techniek

Vervolgens entte ze de wortels van de plant met de gen editing machinerie aan de stengel van een plant zonder gen editing machinerie, en analyseerde of er gen editing plaatsvond in de stengel. In planten die gen editing machinerie zonder mobiliteitssignaal vond er geen gen editing plaats. Maar was het mobiliteitssignaal aanwezig dan observeerde de onderzoekers gen editing in de stengel. Nakomelingen van deze planten hadden wel de gemaakte verandering in hun DNA, maar geen gen editing machinerie.

Om te testen of zo ook genen van een ververwand gewas konden aanpassen, entte ze een raapzaad stengel op de wortels van de zandraket met de mobile gen editing machinerie. Ook hier observeerde de onderzoekets gen editing in de stengel.

Met deze techniek lijkt het dus mogelijk om ook moeilijk met weefselkweek op te kweken planten aan te passen met behulp van gen editing. Het zijn de eerste stappen van een veel belovende techniek. Hopelijk een die helpt al onze gewassen toekomst bestendig te maken.

Literatuur

Yang, L., Machin, F., Wang, S., Saplaoura, E., and Kragler, F. (2023) Heritable transgene-free genome editing in plants by grafting of wild-type shoots to transgenic donor rootstocks. Nat Biotechnol. https://doi.org/10.1038/s41587-022-01585-8