Исследование центромеры и её роли в образовании новых видов
Центромеры — участки ДНК, часто расположенные в центре хромосом, демонстрируют огромное разнообразие между видами, несмотря на одинаковую жизненно важную роль в делении клеток почти у всех живых организмов. Международная группа исследователей обнаружила, что вариация в ДНК центромер может быть поразительно велика даже внутри одного вида.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, проливают свет на молекулярные механизмы быстрой эволюции центромер и их потенциальную роль в образовании новых видов.
Центромера — это особая область в каждой хромосоме, которая во время деления клетки обеспечивает правильное распределение хромосом по новым клеткам. Несмотря на консервативную функцию у всех растений и животных, центромеры разных видов радикально различаются по размеру и структуре. Этот контраст биологи называют «парадоксом центромеры».
Удивительное разнообразие центромер у Arabidopsis
Исследовательская группа под руководством Яна Хендерсона (Кембриджский университет), Детлефа Вайгеля (Институт биологии Общества Макса Планка) и Александроса Бусиоса (Университет Сассекса) изучила разнообразие центромер растений и его происхождение. Учёные рассматривали две гипотезы: большое разнообразие могло быть унаследовано от общего предка или же оно возникло недавно, уже после расхождения видов.
Команда проанализировала множество особей Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля) — обычного сорного растения и модельного организма — а также её родственного вида Arabidopsis lyrata. Исследователи с удивлением обнаружили, что центромеры даже у близкородственных особей могут иметь существенные структурные различия.
«Наш анализ подтвердил обе альтернативные гипотезы, — говорит Детлеф Вайгель. — Существует поразительное разнообразие внутри вида, но при сравнении двух видов различия выглядят ещё более крайними».
Вторжение «эгоистичного гена»
Большое разнообразие центромер ставит вопрос о причинах их быстрой диверсификации. Команда обнаружила, что центромеры Arabidopsis недавно подверглись вторжению мобильного генетического элемента ATHILA. Этот «эгоистичный ген» является дальним родственником ретровирусов, таких как ВИЧ, но не может покинуть клетку.
На вторжение отвечает клеточная система «очистки», которая постоянно отслеживает геном на наличие чужеродных элементов. Чтобы обеспечить функцию центромеры, клетка часто перезаписывает её части, тем самым устраняя новые элементы ATHILA. Именно так небольшие блоки ДНК могут удаляться или копироваться многократно, что приводит к росту, сокращению и диверсификации центромер.
«Кажется, что эти повторяющиеся циклы вторжения и очистки являются основными драйверами быстрой эволюции центромер», — говорит Фернандо Рабаналь из лаборатории Вайгеля. Эти механизмы могут быть аналогичны и у других видов, включая человека.
Проливая свет на «тёмную материю» генома
В будущей работе исследователи хотят углубить понимание механизмов этих быстрых изменений и изучить, как вариация центромер способствует видообразованию.
«Мы глубоко изучили разнообразие центромер внутри одного вида, — отмечает Ян Хендерсон. — В будущем важно будет изучить разнообразие и эволюцию центромер во всём древе жизни».
Быстрые изменения в центромере поднимают вопрос о том, какой порог различий между двумя центромерами растений может быть перенесён во время деления клетки.
«Мы ещё не до конца понимаем механизмы создания и эволюции центромерных повторов, — указывает Пётр Влодзимеж. — Осознание их разнообразия — это лишь первый шаг в путешествии, которое проливает свет на тёмную материю генома».