Удвоение генома, размер клетки и эволюционная новизна

В обзоре 2019 года "Полиплоидия, нуклеотип и новизна: влияние удвоения генома на биологию клетки", опубликованном в International Journal of Plant Sciences, Джефф Дж. Дойл и Джереми Э. Коут исследуют влияние удвоения генома на клеточную биологию и возникновение эволюционной новизны у растений.

Полиплоидия, или наличие более двух наборов хромосом в клетке, широко распространена у растений. Это "удвоение генома" порождает эволюционную новизну и является ключевым фактором видообразования. Однако то, как полиплоидия изменяет клетки, — сложный процесс, который, как показывают авторы, до конца не изучен даже на фундаментальном уровне. Развивающиеся технологии позволят пролить свет не только на эту важную часть эволюции растений, но и на функционирование клеток в целом.

Многие задокументированные эффекты удвоения генома, такие как увеличение размера клетки, объёма ядра и продолжительности клеточного цикла, считаются нуклеотипическими — то есть вызванными изменением общего количества ДНК независимо от генотипа. Авторы обновляют понимание нуклеотипа и других механизмов, с помощью которых полиплоидия меняет клеточную биологию, опираясь на исследования синтетических автополиплоидов и связывая их с современными знаниями в клеточной биологии.

Размер клетки особенно важен, поскольку он тесно связан с удвоением генома. Хотя корреляция между размером генома и размером клетки известна давно, новые данные показывают, что она специфична для типа клеток. Факторы, контролирующие размер клетки (включая полиплоидию), остаются загадкой.

Авторы отмечают, что надеялись найти ответы на вопросы о работе полиплоидии на клеточном уровне в обширной литературе по клеточной биологии. "Вместо этого мы обнаружили, что эти вопросы, а также множество других, необходимых для понимания того, что полиплоидия "делает", ещё не получили удовлетворительных ответов", — пишут они. "Во многих случаях существуют конкурирующие теории, и часто не хватает убедительных данных даже в изученных модельных системах, таких как человек и дрожжи, или в лучших растительных моделях, таких как Arabidopsis и кукуруза, не говоря уже о немодельных видах растений".

Для понимания как полиплоидии, так и клеточной функции в целом, авторы предлагают сместить фокис на количественные данные: временное разрешение, константы скоростей и локальные концентрации молекул при сравнении полиплоидов с их диплоидными предками.

В обзоре также обозначены ключевые вопросы для будущих исследований:

• Как "переполненность" ядра меняется с его размером у разных типов клеток и видов?
• Влияет ли полиплоидия на стабильность белков?
• Являются ли изменения в размере транскриптома при полиплоидии ответом на увеличение объёма ядра или наоборот?

"Существующие технологии позволяют изучать такие вопросы количественно, с растущей точностью и вплоть до отдельных клеток и молекул", — заключают авторы. "Теперь мы готовы ответить на эти вопросы и понять, что же "делает" полиплоидия".