Как половые клетки получают правильный генетический микс: Междисциплинарный подход решает вековую загадку

Новое открытие объясняет, что определяет количество и положение генетических обменов (кроссинговеров) в половых клетках, таких как пыльца и яйцеклетки у растений или сперматозоиды и яйцеклетки у людей.

При образовании половых клеток в ходе особого деления — мейоза — хромосомы обмениваются крупными сегментами ДНК. Это обеспечивает уникальный генетический состав каждой новой клетки и объясняет, почему, за исключением однояйцевых близнецов, никакие два родных брата или сестры не бывают полностью генетически одинаковыми. Эти обмены ДНК, или кроссинговеры, необходимы для создания генетического разнообразия — движущей силы эволюции, и их частота и положение вдоль хромосом строго контролируются.

Значение открытия

Соавтор исследования доктор Крис Морган объясняет: «Позиционирование кроссинговера имеет важные последствия для эволюции, фертильности и селекции. Понимая механизмы, которые управляют этим позиционированием, мы с большей вероятностью сможем найти методы его модификации для улучшения современных технологий селекции растений и животных».

Несмотря на более чем вековые исследования, клеточный механизм, определяющий, где и сколько кроссинговеров образуется, оставался в основном загадкой. Термин «интерференция кроссинговера» был введён в 1915 году и описывает наблюдение, что когда кроссинговер происходит в одном месте хромосомы, он подавляет образование кроссинговеров поблизости.

Решение загадки

Используя передовую комбинацию математического моделирования и микроскопии сверхвысокого разрешения (3D-SIM), исследователи из John Innes Centre решили эту вековую загадку. Они выявили механизм, который гарантирует, что количество и положение кроссинговеров будут «в самый раз»: не слишком много, не слишком мало и не слишком близко друг к другу.

Команда изучила поведение белка HEI10, который играет ключевую роль в образовании кроссинговеров в мейозе. Микроскопия сверхвысокого разрешения показала, что белки HEI10 собираются в кластеры вдоль хромосом, изначально образуя множество мелких групп. Однако со временем белки HEI10 концентрируются лишь в небольшом количестве гораздо более крупных кластеров, которые, достигнув критической массы, могут запустить образование кроссинговера.

Эти измерения сравнили с математической моделью, которая симулирует это кластеризование на основе диффузии молекул HEI10 и простых правил их кластеризации. Математическая модель смогла объяснить и предсказать многие экспериментальные наблюдения, включая то, что частоту кроссинговера можно надежно изменить, просто меняя количество HEI10.

Междисциплинарный результат

Соавтор доктор Джон Фозард отмечает: «Наше исследование показывает, что данные микроскопии сверхвысокого разрешения репродуктивных клеток Arabidopsis согласуются с математической моделью "coarsening, опосредованного диффузией" для распределения кроссинговеров. Модель помогает понять закономерность их расположения вдоль мейотических хромосом».

Эта работа опирается на наследие John Innes Centre по использованию растений в качестве модельных организмов для изучения фундаментальных основ генетики. Соответствующий автор, профессор Мартин Ховард, добавляет: «Эта работа — отличный пример междисциплинарного исследования, где для раскрытия сути механизма были необходимы как передовые эксперименты, так и математическое моделирование».

Перспективы применения

Это исследование будет особенно ценным для зерновых культур, таких как пырей, у которых кроссинговеры в основном ограничены специфическими регионами хромосом, что не позволяет селекционерам использовать полный генетический потенциал этих растений.

Исследование «Diffusion-mediated HEI10 coarsening can explain meiotic crossover positioning in Arabidopsis» опубликовано в журнале Nature Communications.