Мейоз - это специализированный процесс клеточного деления, необходимый для образования гамет, репродуктивных клеток организма. Во время мейоза отцовские и материнские хромосомы дублируются, спариваются и обмениваются частями своей ДНК в процессе, называемом мейотической рекомбинацией. Чтобы опосредовать этот обмен генетическим материалом, клетки вводят двухцепочечные разрывы (DSB) в свою хромосомную ДНК. Ученые из лаборатории Франца Кляйна из отдела хромосомной биологии лаборатории Макса Перуца, совместного предприятия Венского университета и Венского медицинского университета, обнаружили, что клетки иногда высвобождают фрагменты ДНК в местах парных или двойных соединений., ДСБ. Хотя это представляет очевидный риск мутаций зародышевой линии как следствие ошибочной репарации или интеграции фрагментов из других мест в местах разрывов, это также может быть источником эволюционного разнообразия. Исследование опубликовано в виде исследовательской статьи в журнале Nature.
Генетическая информация у человека закодирована в 23 парах хромосом, где одна пара состоит из двух немного отличающихся копий или гомологов. Один наследуется от отца, другой от матери. Человеческие гаметы, однако, гаплоидны - они начинаются только с половиной числа хромосом. Когда гаметы сливаются во время полового размножения, они образуют организм с полным набором хромосом. Случайный набор родительских хромосом вместе с обменом генетическим материалом между гомологичными хромосомами во время раннего мейоза объясняет генетическое разнообразие потомства.
Каждая человеческая гамета содержит одну из миллиардов возможных комбинаций генетической информации, которую они наследуют от своих родительских клеток. Организмы, размножающиеся половым путем, идут на большой риск, чтобы достичь такого разнообразия. Чтобы инициировать мейотическую рекомбинацию, клетки вводят в хромосомы сотни опасных DSB ДНК с помощью фермента, называемого Spo11-комплексом. Используя гомологичную копию в качестве шаблона, разрывы восстанавливаются, и происходит обмен генетической информацией между хромосомами. «Было замечено, что клетки удерживают двухцепочечные разрывы далеко друг от друга», - объясняет руководитель группы Франц Кляйн. «Однако, довольно неожиданно, мы обнаружили, что примерно 20% разрывов соответствуют близко расположенным парам DSB, которые пробивают целые части хромосомы. Эти разрывы также могут инициировать рекомбинацию, что ранее не рассматривалось».
Spo11 распознает физическое напряжение ДНК
Команда под руководством молекулярного биолога доктора Сильвии Прилер и биоинформатика доктора Дорис Чен нанесла на карту высвобожденные фрагменты всего генома дрожжей с точностью до одного нуклеотида, лучше, чем когда-либо картировали DSB. Эта точность привела к нескольким новым наблюдениям, например, что ДНК, возможно, придется изогнуть во время реакции расщепления. Они также обнаружили, что сайты, где ДНК часто подвергается высокому топологическому стрессу, расщепляются более эффективно. Во время транскрипции две нити ДНК разделяются, что позволяет производить РНК. Это приводит к тому, что нити ДНК по обеим сторонам транскрипционного пузыря перекручиваются или перекручиваются, что приводит к значительному физическому напряжению. Этот тип топологического напряжения разрешается так называемыми топоизомеразами, с которыми тесно связан Spo11-комплекс. Таким образом, ключевой вопрос заключается в том, почему родственница топоизомеразы инициирует мейотическую рекомбинацию, учитывая, что клетка имеет специальные нуклеазы, которые могут расщеплять ДНК. «Цель мейоза состоит в том, чтобы предоставить шансы для новой генетической комбинации на как можно большем количестве сайтов, чтобы объединить даже близко расположенные родительские аллели», - говорит Франц Кляйн. «Наше исследование дает намек на то, почему Spo11 может быть настолько подходящим для инициации мейотической рекомбинации: вместо распознавания определенных последовательностей ДНК, которые всегда рекомбинируют хромосомы в заранее определенных положениях, он распознает напряженную ДНК, что может происходить в любой последовательности, которая часто использовал."
Высокий риск - высокий потенциал
Почему клетки рискуют вырезать фрагменты хромосом, до сих пор неясно. Гэпы и соответствующие им фрагменты представляют повышенный риск мутаций, вызванных делециями или вставками фрагментов в неправильных положениях. Ученые показывают, что, хотя эти пары двухцепочечных разрывов разбросаны по всему геному, они часто соответствуют промоторным областям, которые особенно подвержены топологическому стрессу. Промоторы представляют собой генетические элементы, которые регулируют уровень транскрипции. «С точки зрения эволюции было бы здорово иметь возможность обмениваться функциональными регуляторными элементами между различными участками генома. Это открывает интригующую возможность того, что мейотические пробелы в двойных DSB могут стимулировать эволюцию контрольных элементов в геноме», - заключает Франц Кляйн. Без сомнения, рискованное дело для отдельной клетки, но, возможно, оно того стоит для всего вида.