Как хромосомы дрожжей избегают опасных разрывов
Повторяющиеся элементы ДНК в геноме человека могут варьироваться от нескольких до тысяч копий одной и той же последовательности. Во время мейоза — деления клеток, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки, — эти повторяющиеся элементы создают риск опасных перестроек генома в процессе рекомбинации. Как правило, рекомбинация не происходит в повторяющейся ДНК, отчасти потому, что она собрана в специализированный гетерохроматин. Другие механизмы, сдерживающие рекомбинацию в таких областях, оставались неизвестными.
В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи из лаборатории сотрудника Института Уайтхеда Андреаса Хохвагена описывают защитный механизм у дрожжей, который защищает повторяющуюся ДНК от мейотической рекомбинации. Согласно работе, защитный гетерохроматин, ассоциированный с повторами, делает участки ДНК у его границ особенно уязвимыми для нежелательной рекомбинации. Элементы ДНК, окружающие эти пограничные зоны риска, защищены от рекомбинации новой системой, включающей согласованное действие двух белков: белка контрольной точки пахитены 2 (Pch2) и субъединицы 1 комплекса распознавания начала репликации (Orc1). Эти белки присутствуют в организмах от дрожжей до человека.
Во время мейоза хромосомы спариваются, и каждая пара содержит копию, унаследованную от каждого из родителей. Для сопоставления хромосом клетка разрывает обе цепи ДНК в нескольких местах, и хромосомы обмениваются участками с одинаковой последовательностью. В результате каждая хромосома становится мозаикой материнских и отцовских генов. Этот процесс помогает распределению хромосом в споры, сперматозоиды и яйцеклетки, а также оказывает глубокое влияние на эволюцию, создавая новые генетические варианты.
В повторяющейся ДНК эта система разрывов и обменов особенно опасна, так как есть множество вариантов, с каким повтором может произойти обмен. Если выбран не тот повтор, хромосома может потерять или приобрести большой участок ДНК. У людей такие ошибки связаны с генетическими неврологическими и психическими расстройствами, включая расстройства аутистического спектра и шизофрению.
Изучая высокоповторяющуюся рибосомную ДНК (рДНК) дрожжей, авторы статьи Гербен Вадер и Ханна Блицблау установили, что она защищена от нежелательной рекомбинации двумя механизмами. Ранее было показано, что гетерохроматин предотвращает разрывы хромосом в повторяющейся ДНК. Однако в своей работе исследователи демонстрируют, что, по иронии, защитный гетерохроматин делает переходную зону между повторяющейся и неповторяющейся ДНК особенно хрупкой. Дрожжевая клетка укрепляет эти границы с помощью белков Pch2 и Orc1, которые предотвращают разрывы хромосом во всей переходной зоне. В их отсутствие рДНК часто теряет или приобретает повторы.
Хотя способы образования гетерохроматина различаются у разных организмов, похожие стратегии защиты могут работать и у высших организмов. У мышей и мух повторяющаяся ДНК также упакована в гетерохроматин, и есть свидетельства того, что во время мейоза в этих областях происходит очень мало разрывов. Таким образом, возможно, что этот тип защиты является общим явлением.