Ученые Института исследования селекции растений Общества имени Макса Планка в Германии решили более чем вековую загадку механизма генетической рекомбинациии, когда хромосомы, унаследованные от матери и отца, обмениваются генетической информацией. Согласно результатам исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, этот процесс регулируется белками ZYP1 и HEI10, от которых зависит число событий обмена, приходящееся на одну пару хромосом.
У большинства высших организмов, включая животных и растения, каждая клетка несет два варианта одного и того же гена — аллели, одна из которых передана матерью, а другая — отцом. Во время клеточного деления, которое приводит к появлению половых клеток, аллели перетасовываются между двумя гомологичными хромосомами, контактирующими друг с другом и обменивающимися генетическим материалом. Этот процесс называется кроссинговером.
Существуют механизмы, которые строго регулируют количество кроссинговеров: для успешного полового размножения обмен аллелями должен происходит не менее одного раза и не более трех раз на одну пару хромосом. Ограничение числа достигается за счет интерференции — явления, когда один кроссинговер подавляет кроссинговеры поблизости. Было известно, что некую роль в кроссинговере играет синаптонемный белковый комплекс, формирующийся между гомологичными хромосомами. Однако механизм интерференции был неизвестен более ста лет.
В новом исследовании ученые манипулировали экспрессией белков, которые принимают участие в кроссинговере, используя модельный организм — растение Arabidopsis thaliana. Один из них — HEI10 — является белком, который диффундирует в синаптонемный белковый комплекс и прямо влияет на количество событий кроссинговера. Искусственное усиление его экспрессии привело к значительному увеличению кроссинговера. К этому же результату приводит и нарушение экспрессии белка ZYP1, который является составной частью комплекса, однако в то же время прекращается интерференция. Сочетание обоих факторов вызвало беспрецедентное увеличение количества кроссинговеров.
Эффект повышении уровня HEI10 хорошо согласуется с новой моделью регулирования числа кроссинговеров. Согласно этой теории, белок проникает вдоль синаптонемного комплекса, образуя множество скоплений, которые увеличиваются в размерах за счет диффундирования белка и присоединения более мелких скоплений. В результате возникает небольшое количество крупных скоплений белка, способствующих кроссинговеру в этих местах и подавляющих его в соседних участках. Общее количество HEI10 определяет число кроссинговеров, приходящихся на пару хромосом.
Авторы планируют дальнейшие исследования, чтобы понять, что контролирует динамику образования скоплений HEI10 и как именно они способствуют кроссинговеру. Это поможет управлять процессом, усиливая рекомбинацию во время селекции растений, чтобы получать комбинации полезных аллелей, повышающих продуктивность сельскохозяйственных культур.