Mục tiêu cơ bản trong phát triển thực vật là hoạt động của các protein cùng nhau trong mạng lưới để điều hòa hoạt động của các gen mục tiêu cụ thể như thế nào. Sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu trong nhóm của George Coupland và Jijie Chai từ Viện Nghiên cứu Giống cây trồng Max-Planck và Đại học Cologne đã làm sáng tỏ cơ chế về tương tác giữa các protein cụ thể nhắm mục tiêu vào các gen trong cây Arabidopsis như ảnh hưởng đến cấu trúc DNA. Các phát hiện, được công bố trên tạp chí Nature Plants, có ý nghĩa mở rộng về cách các yếu tố phiên mã có thể đạt được tính đặc hiệu quy định trong các môi trường phát triển khác. 

Hình 1. Các đột biến pif4 và cdf2 nguyên nhân thân cây giả mầm ngắn hơn của cây trồng trong ngày ngắn, do giảm độ dài của các tế bào ở vùng tế bào không phân chia, cho thấy các gen PIF4 và CDF2 thúc đẩy quá trình kéo dài thân của cây mầm trong điều kiện ánh  ánh sáng. Các tế bào trong thân cây mầm của đột biến kép pif4 cdf2  như là tế bào ở thể đột biến đơn, chứng tỏ rằng cả hai gen đều hoạt động tương tự điều chỉnh độ dài thân. 

Hai lớp yếu tố phiên mã, yếu tố tương tác Phytochrome (PIFs) và yếu tố Cycling DOF  (CDF), có liên quan đến việc điều hòa các gen kiểm soát sự phát triển của thực vật theo phản ứng với ánh sáng và nhiệt độ.  Tuy nhiên, việc xác định tính đặc hiệu của các yếu tố DOF cụ thể ở thực vật như thế nào vẫn chưa rõ ràng vì chúng được báo cáo sự nhận diện ra các trình tự chuỗi DNA rất ngắn, đơn giản thường xuất hiện trong bộ gen thực vật. Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Plants, He Gao và các đồng nghiệp từ các phòng thí nghiệm của George Coupland và Jijie Chai, Trung tâm nghiên cứu về gen tại Viện Nghiên cứu giống cây trồng Max-Planck đã chứng minh rằng trong mô hình loài Arabidopsis thaliana, hai yếu tố đại diện của phiên mã này PIF4 và CDF2 hoạt động tương tác và điều chỉnh một tập hợp con của các gen tương tự. Các tác giả đã sử dụng sự kết hợp giữa hình ảnh, toàn bộ gen và hóa sinh in vitro để xác định các gen mục tiêu chung của PIF4 và CDF2. Sau đó, họ phân tích chi tiết sự liên kết của cả hai protein với một mục tiêu chung, YUCCA8, mã hóa một loại enzyme sản xuất hormone auxin trong lá mầm và do đó thúc đẩy sự kéo dài tế bào của thân cây mầm khi phản ứng với ánh sáng. 

Protein điều chỉnh các gen mục tiêu của chúng bằng cách nhận biết và liên kết với các chuỗi DNA ngắn. Các tác giả nhận thấy trong gen YUCCA8, các vị trí liên kết CDF2 đơn giản nằm rất gần với các vị trí của PIF4. Họ cũng xác định được trong ống nghiệm, PIF4 và CDF2 tương tác vật lý với nhau và PIF4 làm tăng khả năng liên kết của CDF2 với DNA YUCCA8. Tương tự, ở thực vật mà PIF4 bị bất hoạt, liên kết của CDF2 với các gen mục tiêu của nó, bao gồm cả YUCCA8 đã giảm đáng kể trong cơ thể sống. Ngoài việc nhận biết trình tự DNA cụ thể, độ mạnh và tính đặc hiệu mà protein điều hòa có thể liên kết với trình tự đích của chúng cũng được xác định bởi cấu trúc cục bộ của DNA tại vị trí đích, xác định mức độ dễ tiếp cận của trình tự liên kết đối với liên kết protein. Các tác giả đã thực hiện một loạt các thí nghiệm liên quan đến việc đột biến các vị trí liên kết DNA của PIF4 và CDF2 trong YUCCA8  và xác nhận trong ống nghiệm các phần của mỗi protein tương tác với nhau và họ đề xuất một cơ chế giải thích cách PIF4 và CDF2 có thể liên kết kích hoạt biểu hiện của YUCCA8. Họ đã chứng minh bốn protein PIF4 liên kết như một phức hợp bao gồm hai dimer PIF4 và khi phức hợp này liên kết với các vị trí đích DNA của nó, nó sẽ thay đổi cấu trúc của DNA. Tương tác của PIF4 với CDF2 sau đó tăng cường liên kết của CDF2 tại các vị trí liên kết của nó, các vị trí này nằm liền kề với các vị trí liên kết PIF4. 

Hình 2. Mô hình giải thích cách PIF4 và CDF2 kết hợp điều hòa phiên mã gen dưới ánh sáng. Protein PIF4 liên kết với một chuỗi DNA được gọi là G-box và các liên kết dimer của PIF4 tương tác với các đơn phân của CDF2, chúng liên kết với hai trình tự khác nhau được gọi là vị trí liên kết Dof. Việc tạo ra bốn PIF4 làm cho DNA tạo thành một vòng lặp và tăng cường liên kết CDF2 với DNA, cho phép nó liên kết độc lập với các vị trí liên kết Dof. RNA polymerase II sau đó được PIF4 thu nhận thông qua phức hợp trung hoà để sắp xếp tạo thành đoạnc gen YUCCA8. 

Trong tương lai, những nghiên cứu này có thể được nghiên cứu thêm để xác định việc phân tích sự tương tác giữa PIF4 và CDF2 tại YUCCA8 cung cấp một mô hình chung cho cách cả hai protein điều chỉnh các mục tiêu gen khác hay không và để nghiên cứu sự hợp tác của chúng in vivo trong quá trình kéo dài hypocotyl. Một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu là làm sáng tỏ cơ chế giải thích tương tác giữa protein với nhau có thể tăng cường liên kết DNA cụ thể theo trình tự của một loại protein đặc hiệu quan trọng của thực vật bằng cách thay đổi hình dạng DNA cục bộ để kích hoạt biểu hiện gen trong trường hợp cụ thể. 

Theo Viện Max Planck