Как геномы эволюционируют между видами? Команда исследует ключевую роль 3D-структуры в мужских половых клетках
Исследование под руководством учёных из Автономного университета Барселоны (UAB) и Университета Кента раскрывает, как трёхмерная структура генома в мужских половых клетках определяет эволюцию геномов во времени. Работа, опубликованная в Nature Communications и проведённая на видах грызунов, показывает, что характерные события, происходящие при производстве яйцеклеток и сперматозоидов, по-разному влияют на эволюцию генома, и открывает новые пути для исследования генетического происхождения структуры генома у всех организмов.
Сравнение геномов многих видов млекопитающих показывает, что, хотя у всех видов есть в целом схожий набор генов, их порядок расположения различен для каждого вида, и они могут включаться и выключаться по-разному. Эти перестройки могут влиять на функцию и регуляцию генов и, следовательно, играть роль в эволюционных изменениях и определении видовой идентичности. До сих пор окончательное происхождение этих перестроек оставалось загадкой.
Новое исследование показывает, что производство спермы является ключевым для понимания того, как участки генома реорганизуются внутри хромосом и между ними в ходе эволюции. В частности, наследуемые хромосомные перестройки связаны с физическими и биохимическими процессами, специфичными для заключительных стадий производства спермы, после завершения мейотических делений клеток.
Анализ перестроек генома у грызунов
Чтобы изучить эволюцию генома, команда сравнила геномы 13 различных видов грызунов и «расшифровала» перестройки, которые их отличали. Это позволило определить конфигурацию генома общего предка грызунов и локализовать участки эволюционных точек разрыва (EBRs), участвующие в перестройках генома.
Ключевые выводы:
- EBRs были связаны с регионами, активными на поздних стадиях сперматогенеза, когда развивающиеся мужские половые клетки называются сперматидами.
- Перестройки в EBRs разрывали и соединяли участки ДНК, которые физически расположены близко друг к другу в ядре сперматида.
- EBRs не были связаны с точками мейотической рекомбинации, что указывает на то, что эти перестройки, скорее всего, происходили не во время мейоза ни у самцов, ни у самок.
- Вместо этого EBRs коррелировали с местами повреждения ДНК в сперматидах.
Это приводит к поразительному выводу, что самцы и самки не равны по своему влиянию на эволюцию генома. «Большинство перестроек, отличающих мышь от крысы, белки или кролика, по-видимому, возникли в сперматозоиде, а не в яйцеклетке. Для меня это показывает, что мужская зародышевая линия является главным двигателем структурной эволюции генома», — говорит доктор Питер Эллис.
«Мы показываем, что развивающиеся сперматозоиды сохраняют "память" о предыдущих конфигурациях генома», — добавляет доктор Марта Фарре.
Почему в мужских половых клетках?
Авторы предполагают, что объяснение результатов кроется в разных событиях при производстве яйцеклеток и сперматозоидов. В то время как и те, и другие клетки перетасовывают ДНК во время мейоза, разрывы ДНК, созданные в этом процессе, восстанавливаются с высокой точностью. Однако сперматозоиды также должны упаковать свою ДНК в крошечный объём, чтобы поместиться в головке сперматозоида. Эта компактизация вызывает разрывы ДНК и использует для их восстановления метод, склонный к ошибкам. Некоторые из этих ошибок могут генерировать геномные перестройки, что объясняет, почему развитие спермы является критическим фактором эволюции генома.
«Наша работа предполагает, что различия в стабильности геномов у разных видов могут быть связаны с деталями того, где и когда ДНК разрывается и восстанавливается во время производства спермы», — говорит доктор Аврора Руис-Эррера.
Хотя исследование проводилось на грызунах, сперматогенез — высококонсервативный процесс, поэтому этот принцип, вероятно, широко применим во всём древе жизни.