Раскрыт процесс генетических обменов при мейозе

Новое открытие объясняет, что определяет количество и положение генетических обменов, происходящих в половых клетках, таких как пыльца растений или сперматозоиды и яйцеклетки человека.

Когда половые клетки производятся в результате особого деления клеток, называемого мейозом, хромосомы обмениваются большими сегментами ДНК. Это гарантирует, что каждая новая клетка имеет уникальный генетический состав, и объясняет, почему, за исключением однояйцевых близнецов, нет двух братьев и сестер, которые были бы полностью генетически одинаковыми.

Эти обмены ДНК или кроссоверы (кроссинговеры) необходимы для создания генетического разнообразия, движущей силы эволюции, а их частота и положение вдоль хромосом строго контролируются.

Один из авторов нового исследования, доктор Крис Морган, объясняет значение этого феномена: «Позиционирование кроссовера имеет важные последствия для эволюции, фертильности и селекционного разведения. Понимая механизмы, которые управляют позиционированием кроссовера, мы с большей вероятностью сможем раскрыть методы селекции, изменить позиционирование кроссовера для улучшения существующих технологий селекции растений и животных «.

Несмотря на более чем столетние исследования, клеточный механизм, который определяет, где и в каких количествах образуются кроссоверы, оставался в основном загадкой, которая очаровывала и разочаровывала многих выдающихся ученых. Фраза «перекрестная интерференция» была придумана в 1915 году и описывает наблюдение, что когда кроссовер происходит в одном месте хромосомы, он препятствует образованию кроссоверов поблизости.

Используя передовую комбинацию математического моделирования и микроскопии сверхвысокого разрешения «3D-SIM», команда исследователей Центра Джона Иннеса решила эту вековую тайну, определив механизм, который гарантирует, что какое число и положение кроссовера являются «правильными»: не слишком много, не слишком мало и не слишком близко друг к другу.

Команда исследователей изучила поведение белка под названием HEI10, который играет важную роль в формировании кроссовера в мейозе. Микроскопия сверхвысокого разрешения показала, что белки HEI10 группируются вдоль хромосом, первоначально образуя множество небольших групп.

Однако со временем белки HEI10 концентрируются только в небольшом количестве гораздо более крупных кластеров, которые по достижении критической массы могут запускать образование кроссовера.

Затем эти измерения сравнивали с математической моделью, моделирующей эту кластеризацию, на основе диффузии молекул HEI10 и простых правил их кластеризации. Математическая модель была способна объяснять и предсказывать многие экспериментальные наблюдения, в том числе то, что частота кроссовера могла быть надежно модифицирована простым изменением количества HEI10.

«Наше исследование показывает, что данные, полученные на изображениях репродуктивных клеток Arabidopsis (резуховидка) в сверхвысоком разрешении, согласуются с математической моделью «опосредованного диффузией огрубления» для формирования перекрестного паттерна у арабидопсиса. Модель помогает нам понять формирование паттерна кроссоверов мейотических хромосом» — говорят ученые.

Профессор Мартин Ховард, добавляет: «Эта работа является прекрасным примером междисциплинарных исследований, в которых требовались передовые эксперименты и математическое моделирование, чтобы раскрыть суть механизма. Одним из интересных направлений будущего будет оценка того, насколько наша модель может успешно объяснить формирование паттерна кроссовера у других организмов».

Это исследование будет особенно полезно для зерновых культур, таких как пшеница, у которых кроссоверы в основном ограничены определенными участками хромосом, что не позволяет селекционерам раскрыть полный генетический потенциал этих растений.