Генетики решили 100-летнюю загадку науки о жизни

У организмов, размножающихся половым путем, особи похожи и на своих родителей, и на братьев и сестер. Но несмотря на сходство абсолютная идентичность невозможна. Это несовпадение объясняется процессом мейоза, в ходе которого образуются репродуктивные клетки, такие как сперматозоиды и яйцеклетки у животных или пыльца и семяпочки у растений. В отличие от деления соматических клеток, при котором геном дублируется, и у новых клеток он совпадает, мейоз создает генетически разные репродуктивные клетки с помощью механизма, известного как кроссинговер.

При кроссинговере гомологичные хромосомы разрезаются на фрагменты, и фрагменты разных хромосом соединяются заново (этот процесс называется гомологичной рекомбинацией). Таким образом гены «перемешиваются». Чем таких разрезов больше — тем выше разнообразие у потомства.

Мейоз и кроссинговер играют ключевую роль в биоразнообразии и имеют важное значение в селекции, где происходит отбор нужных качеств сельскохозяйственных культур.

Обычно у большинства видов животных и растений наблюдается минимум один и максимум три разреза гомологичных хромосом. Возможность контролировать (например, увеличивать) количество разрезов ведет к возникновению большего числа новых хромосом, несовпадающих с родительскими. Это позволит выращивать культуры с конкретными желаемыми характеристиками: из большего разнообразия проще выбрать нужный вариант. Однако достижение такого контроля оказалось сложной задачей.

Кроссинговеру мешает механизм известный как кроссинговерная интерференция. Она запрещает делать новый разрез близко от предыдущего. Этот запрет был впервые обнаружен генетиком Германом Дж. Мюллером в 1916 году в экспериментах на плодовых мухах. Несмотря на все усилия генетиков в течение целого столетия объяснить механизм этого генетического запрета, не удавалось.

Почему при мейозе разрешается делать не более трех разрезов? Возможно, это связано с тем, что такое ограничение не дает разрезающим хромосому белкам порубить ее совсем в капусту. Если фрагментов будет много, повышается риск, что генетическая рекомбинация запутается при сборке и полноценные хромосомы получить не удастся. Такое ограничение выглядит разумным с точки зрения эволюции, но мешает направленной селекции.

В этом новом исследовании команда выделила растение-мутант и назвала его hcr3 (high crossover rate — высокая скорость кроссинговера). Мутант продемонстрировал неожиданно большое количество разрезов на геномном уровне. Осталось понять, чем он отличается от нормального растения Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля). И это сделать удалось.

Анализ показал, что повышенное количество разрезов у hcr3 связано с точечной мутацией в гене J3, который кодирует белок ко-шаперон, родственный белку HSP40. Исследование показало, что сеть, включающая кошаперон HCR3/J3/HSP40 и шаперон HSP70, контролирует кроссинговерную интерференцию и локализацию (то есть, место разреза).

Сеть настроена так, что она отключает белок HEI10. Этот белок отвечает за кроссинговер, и если он отключен — разрез невозможен. А вот у мутанта hcr3 эта сеть белку HEI10 не мешает, и он готов делать не три, а гораздо больше разрезов. В результате образуется много фрагментов, они сильнее перемешиваются при рекомбинации и возникает гораздо большее разнообразие потомства, чем обычно. Причем мутация в гене J3 — точечная, то есть достаточно изменить всего один нуклеотид, чтобы получить необыкновенно разнообразное потомство.

Профессор POSTECH Кюха Чой говорит: «Применение этого исследования в сельском хозяйстве позволит нам быстро накопить полезные признаки, тем самым сокращая время селекции. Мы надеемся, что это исследование будет способствовать выведению новых сортов и выявлению полезных естественных вариаций, ответственных за желаемые признаки, такие как устойчивость к болезням и стрессам окружающей среды и повышение производительности».

Но, может быть, не менее важно, чем польза для сельского хозяйства то, что генетики решили вековую загадку науки о жизни.