Молекулярные ножницы помогают исследовать эволюцию

Учёные из KIT (Карлсруэский технологический институт) обнаружили важный механизм в эволюции растительных геномов. Используя Arabidopsis thaliana в качестве модельного организма, они изучили формирование тандемных повторов ДНК и выяснили, что эти последовательности образуются, если обе цепи ДНК разрываются на значительном расстоянии друг от друга. Для экспериментов учёные использовали систему CRISPR/Cas, работающую как «пара молекулярных ножниц». Результаты представлены в журнале PNAS (DOI: 10.1073/pnas.1603823113).

Эволюция генома основана на мутациях, включая дупликацию существующих последовательностей ДНК. Растительные геномы часто содержат короткие последовательности ДНК, дублированные тандемно. Учёные выяснили, как они возникают.

«Наши результаты показывают, что репарация одноцепочечных разрывов, происходящих на значительном расстоянии друг от друга в двух противоположных цепях, играет важную роль в генерации дупликаций в растительных геномах», — объясняет профессор Хольгер Пухта.

Исследования на Arabidopsis thaliana показали, что синхронизированная репарация двух таких одноцепочечных разрывов последовательно приводила не только к делециям, но и к тандемным дупликациям коротких последовательностей вблизи мест разрыва. Учёные целенаправленно вводили разрывы в разные области генома и анализировали результаты репарации с помощью секвенирования ДНК.

Для создания одноцепочечных разрывов в точно заданных местах использовалась модифицированная система CRISPR/Cas — «молекулярные ножницы», режущие только одну цепь.

«Раньше мы могли работать только с ножницами, которые режут обе цепи одновременно, создавая двуцепочечный разрыв. Теперь впервые возможно использовать ножницы, режущие одну цепь. Это позволяет детально исследовать, как такие повреждения ДНК репарируются», — поясняет Пухта.

CRISPR/Cas обозначает определённый сегмент ДНК (CRISPR) и фермент (Cas), который узнаёт этот сегмент и разрезает ДНК именно в этом месте.

Хольгер Пухта первым использовал молекулярные ножницы для растений. Новое исследование, представленное в PNAS, показывает, что наличие множественных одноцепочечных разрывов в ДНК также может приводить к модификациям генома. Такие разрывы часто происходят естественным путём у растений, особенно при воздействии УФ-света.

«Вновь открытый механизм имеет огромное значение для понимания эволюции растительных геномов», — говорит Хольгер Пухта.