Новое понимание регуляции обмена генетической информацией
В каждой клетке нашего тела ДНК плотно упакована с белками, образуя структуры, известные как хромосомы. Хромосомы часто имеют X-образную форму, которая формируется благодаря тесной связи в области центромеры. Центромера соединяет сестринские хроматиды — идентичные копии, созданные во время репликации ДНК.
Во время размножения гомологичные хромосомы — парные хромосомы одинаковой формы и генетического набора — спариваются и обмениваются генетической информацией. Этот обмен ДНК называется кроссинговером, процессом смешивания генетического материала отца и матери для обеспечения генетического разнообразия потомства.
Известно, что активность кроссинговера снижена в центромерных регионах и более вероятна в областях, удалённых от центромеры. Таким образом, генетическая рекомбинация генов, расположенных близко к центромере, не происходит. Это явление известно как «центромерный эффект», предполагающий, что сама центромера может влиять на активность и распределение кроссинговера.
Однако механизмы, контролирующие распределение кроссинговера, ещё не идентифицированы. Исследовательская группа Андре Маркеса смогла пролить свет на эти контролирующие механизмы генетической рекомбинации.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Plants, учёные использовали осоковое растение Rhynchospora breviuscula — отличный природный инструмент для изучения формирования генетической рекомбинации.
В отличие от растений с моноцентрическими хромосомами (с одной центромерой), у этой модели хромосомы содержат сотни мелких центромер, расположенных по всей длине хромосомы. Используя такие голоцентрические хромосомы, исследователи исключили влияние локализованной центромеры и компартментализованной организации хромосомы, поскольку центромеры и гены распределены по ней равномерно.
Впервые исследователям удалось создать карту генетической рекомбинации, проанализировав частоту кроссинговера у голоцентрического растения. В отличие от моноцентрических хромосом, активность кроссинговера наблюдалась и вблизи центромер. Однако, что поразительно, кроссинговер был распределён по хромосомам неравномерно, с более высокой концентрацией к их концам. Кроме того, команда показала, что распределение кроссинговера в основном не зависело от глобального распределения генетических и эпигенетических особенностей хромосом.
Таким образом, центромерный регион и эпигенетическая регуляция, по-видимому, не являются главными факторами, контролирующими распределение кроссинговера. Вместо этого Маркес и его команда предполагают, что основную роль играет поведение хромосом во время спаривания гомологов, а ключевыми игроками являются теломеры — специфические структуры на концах каждой хромосомы.
Открытия команды особенно перспективны для современных селекционеров растений, которые зависят от генетического обмена как благоприятными, так и неблагоприятными признаками. В настоящее время это является узким местом для генов, расположенных близко к центромере у моноцентрических растений из-за центромерного эффекта.
«Понимание того, как растения с диффузными центромерами регулируют активность кроссинговера, имеет первостепенное значение для инженерии мейотической рекомбинации в контексте селекции растений, например, для запуска генетического обмена в регионах, которые в основном вообще не рекомбинируют», — говорит Маркес.