В большинстве высших организмов, включая человека, каждая клетка несет две версии каждого гена, которые называются аллелями. Каждый родитель передает по одному аллелю каждому потомству. Поскольку они связаны друг с другом на хромосомах, соседние гены обычно наследуются вместе. Однако это не всегда так. Почему?

Ответ заключается в рекомбинации, процессе, который перетасовывает содержание аллелей между гомологичными хромосомами во время деления клетки. Механистически рекомбинация достигается путем кроссинговеров, когда гомологичные хромосомы контактируют друг с другом, что приводит к обмену генетическим материалом.

Скрещивания уже давно привлекают внимание ученых и особенно селекционеров растений, потому что манипулирование процессом скрещивания открывает потенциал для увеличения генетического разнообразия и получения желаемых комбинаций аллелей, которые повышают продуктивность сельскохозяйственных культур. Скрещивания подчиняются "принципу Златовласки"; для успешного полового размножения требуется по крайней мере одна пара хромосом на пару; действительно, отсутствие скрещиваний является основной причиной трисомии человека, например, в случае синдрома Дауна.

Число переходов также строго регулируется и, как правило, не превышает трех. Это ограничение на число кроссоверов и, следовательно, рекомбинацию достигается за счет перекрестной интерференции, явления, посредством которого кроссоверы подавляют дополнительные кроссоверы в их окрестности. Однако то, как работает это вмешательство, оставалось загадкой с тех пор, как оно было впервые описано около 120 лет назад.

Новая модель перекрестных помех

Теперь команда, возглавляемая Рафаэлем Мерсье из Института исследований селекции растений имени Макса Планка в Кельне, Германия, нашла убедительные доказательства в поддержку недавно предложенной модели перекрестной интерференции.

Мерсье и его команда вместе с коллегами в работе, возглавляемой Стефани Дюран, Цичао Лиан и Джули Цзин, достигли этих результатов, манипулируя экспрессией белков, которые, как известно, участвуют либо в продвижении кроссоверов, либо в соединении хромосом вместе в модельном растении Arabidopsis thaliana, вид, который Мерсье и его коллеги используют чтобы получить фундаментальное представление о механизмах наследственности.

Повышение экспрессии про-кроссоверного белка HEI10 привело к значительному увеличению кроссинговеров, равно как и нарушение экспрессии белка ZYP1, составляющего синаптонемный комплекс, белковую структуру, которая образуется между гомологичными хромосомами.

Когда ученые объединили два вмешательства, они были удивлены, наблюдая значительное увеличение перекрестных взаимодействий, показывая, что дозировка HE10 и ZYP1 совместно контролируют образование CO-паттернов. Важно отметить, что массовое увеличение кроссоверов таким образом практически не повлияло на деление клеток.

Значительное увеличение числа кроссоверов при повышении уровня HEI10 хорошо согласуется с новой моделью регулирования числа кроссоверов. Эта модель, сформулированная Дэвидом Цвикером и его командой из Института динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене, Германия, основана на диффузии белка HEI10 вдоль синаптонемного комплекса и процессе укрупнения, приводящем к образованию хорошо расположенных очагов HEI10, которые способствуют перекрестным связям.

В модели HEI10 первоначально образует множество небольших очагов и постепенно консолидируется в небольшое количество крупных очагов, которые совместно локализуются с участками перекрестных переходов. В этой простой модели увеличение уровней HEI10 приведет к большему количеству очагов и, следовательно, к большему количеству перекрестных соединений; таким образом, образование капель вдоль оси, по-видимому, является определяющим фактором перекрестных участков.

Мерсье взволнован выводами команды, но также уже смотрит в будущее: "Эти результаты - захватывающее понимание процесса, который ставил ученых в тупик более ста лет. Далее мы хотим лучше понять, что управляет динамикой капель HEI10 и как они способствуют кроссоверам. Если мы сможем лучше разобраться в том, как работает этот процесс, это может позволить нам избирательно стимулировать рекомбинацию во время селекции растений, позволяя собирать комбинации полезных аллелей, которые оставались недосягаемыми ".

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.