«Прыгающие гены» кукурузы, наконец, были нанесены на карту международной командой под руководством исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе и лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Открытие может в конечном итоге принести пользу селекции и производству кукурузы, одной из самых важных сельскохозяйственных культур в мире.
Мобильные элементы, или транспозоны, представляют собой последовательности ДНК, которые могут перемещаться в пределах генома («прыгающие гены»). Обнаруженные в кукурузе лауреатом Нобелевской премии генетиком Барбарой МакКлинток в 1940-х годах, многие ученые долгое время считали, что они не играют большой роли в генетике. Однако другие, в том числе МакКлинток, считали, что транспозоны в геноме могут играть важную роль в клетках, включая регуляцию экспрессии генов. Теперь мы знаем, что мобильные элементы обнаружены в большинстве организмов, составляя более 80 процентов генома кукурузы и почти 50 процентов генома человека.
До сих пор точное местонахождение транспозонов оставалось неясным, в первую очередь потому, что их было очень сложно секвенировать и собрать. Мишель Ститцер, аспирант кафедры популяционной биологии Калифорнийского университета в Дэвисе, и генетик кукурузы Джефф Росс-Ибарра, профессор наук о растениях, работали с коллегами из Колд-Спринг-Харбор и нескольких университетов и компаний, занимающихся технологиями генома, над созданием нового эталонного генома кукурузы, который включает множество сложных повторяющихся областей. Новая технология секвенирования, которую они использовали, описана в недавней публикации Nature.
Идентификация и классификация мобильных элементов в кукурузе
«Ранее эталонные геномы кукурузы не идентифицировали все повторяющиеся области», - сказал Ститцер.«До сих пор мы знали относительное расположение сегментов последовательности, но не все беспорядочные части между ними. Эта новая технология позволила нам секвенировать все повторяющиеся области». Штитцер разработал методы определения положения транспозонов в кукурузе, даже когда они переходят друг в друга.
«Публикация Nature сосредоточилась на технологии, которая дала ценную высококачественную последовательность генома, - сказал Росс-Ибарра, - но затем Мишель создала вычислительные алгоритмы для идентификации отдельных мобильных элементов во всем геноме, которые никогда раньше не делалось."
"Ее работа раскрывает всю экологию транспозонов, дополненную сложными отношениями конкуренции и сотрудничества. Это позволяет нам начать понимать богатое биоразнообразие генома как экосистемы."
Натан Спрингер, профессор Университета Миннесоты и соавтор статьи в журнале Nature, отметил: «Новые подходы Мишель к выявлению и классификации полного набора мобильных элементов в кукурузе должны привести к новым фундаментальным биологическим открытиям."
Новые окна в исследованиях транспозонов
По словам Ститцера, транспозоны могут регулировать и изменять экспрессию близлежащих генов в зависимости от того, где они находятся в геноме. «Это очень важно знать, но было трудно определить, когда мы не могли понять, где они находятся в последовательности генома».
Вставки транспозонов и их влияние на экспрессию генов, как известно, влияют на то, как растение кукурузы взаимодействует с окружающей средой. Например, различные вставки транспозонов обеспечивают засухоустойчивость, изменение времени цветения, способность расти на токсичных почвах, богатых алюминием, и позволили кукурузе распространиться в умеренных широтах, нарушив чувствительность к долгим дням в тропиках. В целом было показано, что вставки мобильных элементов изменяют экспрессию генов в стрессовых условиях. Но эти вставки с известными функциональными последствиями представляют лишь горстку из сотен тысяч мобильных элементов в геноме кукурузы.
Дэймон Лиш, профессор Университета Пердью, изучающий регуляцию и эволюцию мобильных элементов растений, сказал: «Мы просто не сможем понять сложность геномов растений, если не сможем идентифицировать мобильные элементы. Работа Мишель представляет собой бесценную дорожную карту. это позволяет нам начать распутывать разнообразие всех генетических элементов, составляющих геном кукурузы».
Росс-Ибарра сказал, что теперь, когда геном кукурузы полностью секвенирован и местонахождение транспозонов определено, открывается новая область исследований, выходящая за рамки роли отдельных генов в кукурузе - определение роли отдельных транспозонов.