Мейоз: осторожно, пробелы
Учёные из лаборатории Франца Кляйна (Департамент биологии хромосом, Max Perutz Labs, совместное предприятие Венского университета и Венского медицинского университета) обнаружили, что клетки иногда высвобождают фрагменты ДНК в местах парных, или двойных, двунитевых разрывов (DSB). Хотя это создаёт очевидный риск мутаций в зародышевой линии из-за ошибочного ремонта или интеграции фрагментов из других участков, это также может быть источником эволюционного разнообразия. Исследование опубликовано в виде статьи в Nature.
Мейоз начинается с контролируемого саморазрушения
Для инициации мейотической рекомбинации клетки с помощью фермента Spo11-комплекса создают сотни опасных двунитевых разрывов в хромосомах. «Мы с удивлением обнаружили, что примерно 20% разрывов соответствуют тесно расположенным парам DSB, которые «выбивают» целые куски хромосомы. Эти пробелы также могут инициировать рекомбинацию, что раньше не рассматривалось», — объясняет руководитель группы Кляйн.
Spo11 распознаёт физическое напряжение ДНК
Команда с точностью до одного нуклеотида картировала высвобождаемые фрагменты по всему геному дрожжей. Эта точность позволила сделать новые наблюдения: например, ДНК, возможно, должна изгибаться во время реакции расщепления. Также выяснилось, что участки, где ДНК часто находится под высоким топологическим напряжением, расщепляются более эффективно.
Во время транскрипции цепи ДНК разделяются, что вызывает их перекручивание и создаёт значительное физическое напряжение. Ключевой вопрос — почему родственный топоизомеразам Spo11-комплекс инициирует мейотическую рекомбинацию, хотя в клетке есть специальные нуклеазы.
«Цель мейоза — предоставить шансы для новой генетической комбинации на как можно большем количестве участков. Наше исследование даёт намёк на то, почему Spo11 так подходит для этого: вместо распознавания конкретных последовательностей ДНК, что приводило бы к рекомбинации всегда в предопределённых местах, он распознаёт напряжённую ДНК, что может происходить в любой часто используемой последовательности», — говорит Кляйн.
Высокий риск — высокий потенциал
Почему клетки идут на риск «выбивания» кусков хромосом, до сих пор неясно. Пробелы и соответствующие им фрагменты повышают риск мутаций из-за делеций или вставки фрагментов в неправильные позиции. Учёные показывают, что хотя эти пары разрывов разбросаны по геному, они часто соответствуют промоторным регионам, особенно склонным к топологическому стрессу.
«С эволюционной точки зрения, было бы здорово иметь возможность обмениваться функциональными регуляторными элементами между разными участками генома. Это поднимает интригующую возможность, что мейотические пробелы при двойных DSB могут стимулировать эволюцию контрольных элементов в геноме», — заключает Кляйн. Рискованное предприятие для отдельной клетки, но, возможно, оно того стоит для вида.