Доказательства новой теории генетической рекомбинации
В большинстве высших организмов, включая человека, каждая клетка несет два варианта каждого гена — аллели. Каждый родитель передает один аллель потомству. Поскольку гены связаны на хромосомах, соседние гены обычно наследуются вместе. Но не всегда.
Причина — рекомбинация, процесс, который перемешивает аллели между гомологичными хромосомами во время деления клетки. Механически рекомбинация осуществляется через кроссинговеры — контакты гомологичных хромосом, ведущие к обмену генетическим материалом.
Кроссинговеры давно интересуют ученых и селекционеров, так как управление этим процессом может повысить генетическое разнообразие и собрать желаемые комбинации аллелей для урожайности культур. Кроссинговеры подчиняются «принципу Златовласки»: для успешного полового размножения требуется хотя бы один на пару хромосом; его отсутствие — частая причина трисомии у человека (например, синдром Дауна).
Число кроссинговеров строго регулируется и обычно не превышает трех. Это ограничение достигается за счет интерференции кроссинговера — явления, при котором кроссинговер подавляет дополнительные кроссинговеры поблизости. Как работает эта интерференция, оставалось загадкой с момента её описания около 120 лет назад.
Новая модель интерференции кроссинговера
Команда Рафаэля Мерсье из Института селекции растений Макса Планка (Кёльн, Германия) нашла убедительные доказательства в поддержку недавно предложенной модели интерференции.
Ученые манипулировали экспрессией белков, участвующих либо в стимуляции кроссинговеров, либо в соединении хромосом, у модельного растения Arabidopsis thaliana.
- Усиление экспрессии прокроссинговерного белка HEI10 привело к значительному увеличению числа кроссинговеров.
- То же самое произошло при нарушении экспрессии белка ZYP1 — компонента синаптонемного комплекса (белковой структуры между гомологичными хромосомами).
При сочетании двух вмешательств ученые с удивлением наблюдали массивный рост числа кроссинговеров, показав, что доза HEI10 и ZYP1 совместно контролируют картирование кроссинговеров. При этом деление клеток почти не нарушалось.
Этот результат хорошо согласуется с новой моделью регуляции числа кроссинговеров, сформулированной Дэвидом Цвикером и его командой (Институт динамики и самоорганизации Макса Планка, Гёттинген). Модель основана на диффузии белка HEI10 вдоль синаптонемного комплекса и процессе коалесценции (укрупнения), ведущем к образованию хорошо распределенных фокусов HEI10, которые и стимулируют кроссинговеры.
Согласно модели, HEI10 сначала образует множество мелких фокусов, которые постепенно консолидируются в небольшое число крупных, совпадающих с сайтами кроссинговеров. В этой простой модели увеличение уровня HEI10 приводит к увеличению числа фокусов и, следовательно, кроссинговеров. Таким образом, формирование «капель» (фокусов) HEI10 вдоль оси хромосомы определяет места кроссинговеров.
«Эти результаты дают захватывающее понимание процесса, который озадачивал ученых более ста лет. Далее мы хотим лучше понять, что контролирует динамику капель HEI10 и как они стимулируют кроссинговеры. Если мы лучше поймем процесс, это может позволить избирательно усиливать рекомбинацию в селекции растений, собирая комбинации полезных аллелей, которые до сих пор были недоступны», — говорит Рафаэль Мерсье.
Исследование опубликовано в Nature Communications.