Ускорение эволюции на уровне генома за счёт альтернативной конфигурации хромосом

Исследовательская группа под руководством Андре Маркеса из Института селекции растений Общества Макса Планка в Кёльне (Германия) обнаружила глубокое влияние атипичного способа организации хромосом на структуру и эволюцию генома. Результаты опубликованы в журнале Cell.

В большинстве изученных организмов, включая человека, хромосомы являются моноцентрическими — центромера, область соединения сестринских хроматид, находится в одном регионе, что придаёт хромосоме классическую X-образную форму. Однако у некоторых растений и животных хромосомы голоцентрические: множество центромер расположено по всей длине хроматиды, и X-образная форма отсутствует.

Чтобы определить, как голоцентричность влияет на геном, команда секвенировала геномы трёх близкородственных голоцентрических растений — осок-перистощетинников, а также геном их ближайшего моноцентрического родственника для сравнения.

Ключевые различия в организации генома

Анализ выявил поразительные различия:

• Функция центромеры у голоцентрических хромосом распределена между сотнями небольших центромерных доменов.
• У моноцентрических видов гены в основном сконцентрированы вдали от центромер, тогда как у голоцентрических видов они равномерно распределены по всей длине хромосом.
• Дальние взаимодействия между хромосомами во время деления клетки, важные для регуляции экспрессии генов, у голоцентрических осок были резко ослаблены.

Влияние на эволюцию генома

Почти любой фрагмент голоцентрической хромосомы содержит центромеру и сохраняет функцию. Это стабилизирует хромосомные фрагменты и слияния, способствуя быстрой эволюции генома.

• У одного из изученных видов голоцентрические центромеры позволили сохранить прежнее число хромосом даже после учетверения всего генома.
• У другого вида, имеющего всего две хромосомы (минимальное число среди растений), именно голоцентричность обусловила столь драматическое сокращение их числа.

Таким образом, голоцентрические хромосомы могут способствовать образованию новых видов за счёт быстрых изменений на уровне генома.

Перспективы для селекции растений

Исследование имеет важное значение для селекции. Как отмечает Андре Маркес: "Голоцентрические растения позволяют обмениваться ДНК вблизи центромер, что обычно подавлено у моноцентрических видов. Понимание этого механизма может позволить 'разблокировать' соответствующие гены у моноцентрических сельскохозяйственных культур и сделать их доступными для выведения более продуктивных и устойчивых сортов".