Даже в этот «век генома» многое в генах остается окутанным тайной. Это особенно верно для «криптических мутаций» - мутировавших генов, которые скрыты и оказывают неожиданное влияние на черты, которые проявляются только в сочетании с другими мутациями. Узнав, в частности, об одной печально известной загадочной мутации, исследователи из CSHL делятся важными уроками для селекции или редактирования генов сельскохозяйственных культур.
Эта история начинается с компании Campbell Soup Company и помидорного поля в середине 20-го века. Одно конкретное томатное растение имело неожиданную полезную черту: плоды отделялись от лозы прямо там, где зеленая шляпка и стебель соприкасались с остальными плодами. Оказалось, что этот спонтанный природный мутант идеально подходит для крупномасштабного производства.
Другие сорта томатов отрываются от суставных выступов на плодоножках, оставляя заостренные зеленые шляпки на плодах. Если стебли все еще присутствуют, эти помидоры с колпачками могут легко повредиться в процессе машинного сбора или в конечном итоге проколоть друг друга при транспортировке. Однако у счастливого мутанта Campbell Soup таких проблем не было. Он был бесшовным и идеально подходил для растущей автоматизированной отрасли. Неудивительно, что селекционеры назвали мутацию гена, приводящую в движение эту полезную черту, бесстыковым-2 (j2)..
В 1960-х годах селекционеры помидоров яростно работали над внедрением j2 во многие сорта. Тем не менее, быстро стало очевидно, что преимущество j2 в виде безопасной и легкой уборки дорого обходится. Почти во всех случаях растения помидоров без суставов ветвились и цвели неконтролируемым образом, вызывая дисбаланс в росте, что приводило к снижению производства плодов и урожайности.
«Даже первое растение компании Campbell было описано как имеющее чрезмерное разветвление», - объяснил исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и профессор CSHL Зак Липпман. Такая непредсказуемость урожая была далека от идеала.
В 2017 году Липпман и научный сотрудник Себастьян Сойк, наконец, разгадали тайну, лежащую в основе этого непредсказуемого поведения, которое беспокоило заводчиков более пяти десятилетий. Исследователи обнаружили, что мутация древнего гена - артефакт одомашнивания сельскохозяйственных культур возрастом более 4000 лет - имела неожиданное взаимодействие с j2. Результатом стал яркий пример того, что ученые называют «загадочной генетической изменчивостью».
«Сама по себе единственная мутация не оказывает очевидного влияния на здоровье, приспособленность или энергию растения», - говорит Липпман. «Но когда вместе с ней происходит еще одна мутация и происходит негативное взаимодействие, это раскрывает себя загадочная мутация."
Сегодня технологии секвенирования позволяют нам увидеть эти мутации. Более того, с помощью инструментов редактирования генов, таких как CRISPR, ученые могут точно настроить мутации, лежащие в основе негативных взаимодействий, чтобы они больше не мешали сельскохозяйственному производству.
[Посмотрите, как Липпман обсуждает, как сочетание полезных черт может иметь негативные последствия:
Но в 1960-х годах возможности редактирования генов современных технологий CRISPR звучали бы как научная фантастика.
Как тогда заводчикам удавалось избегать непредсказуемых проблем, связанных с мутацией j2? По словам Липпмана, промышленные селекционеры просто просеивали сорта помидоров, пока не нашли тот, который хорошо сочетался с j2. Спустя десятилетия более внимательное изучение геномов растений, выведенных этими селекционерами, показывает, что причина, по которой они не столкнулись с j2, заключалась в том, что у них часто полностью отсутствовала древняя мутация одомашнивания.
"Стоит отметить, что загадочный вариант - древняя мутация - широко распространен в винтажных и современных сортах томатов", - добавляет Сойк.
Вот что сделало заводчиков вторым способом преодоления нежелательной загадочной мутации таким интересным.
«Мы обнаружили, что некоторые заводчики во Флориде смогли выбрать дополнительные загадочные варианты, которые нейтрализуют это негативное взаимодействие», - говорит он..
В последней работе исследователей, опубликованной в журнале Nature Plants, объясняется, что дополнительные загадочные варианты, на которые наткнулись селекционеры из Флориды, называются структурными вариантами - перестройками в последовательности ДНК, которые приводят к четким изменениям внутри хромосомы. В данном случае вариант был дупликацией древней мутации, взаимодействующей с j2.
Другими словами, вместо того, чтобы избежать древней мутации, фермеры Флориды продолжали размножать свои помидоры до тех пор, пока случайные мутации не оставили им дублированную копию древней загадочной мутации. Удивительно, но благодаря удачному генетическому повороту это привело к восстановлению функции.
Древняя мутация обычно «ломает» ген, объясняет Липпман. «Это снижает функциональную активность этого гена на 30 процентов. Но если у меня вдруг появятся две копии этого мутировавшего гена, мы вернемся к почти полной функциональной активности».
Таким образом, двойная древняя мутация приравнивается почти к тому же результату, что и полное отсутствие мутации!
«Это [событие дублирования] произошло естественным образом, поэтому, по сути, природа предоставила решение своей собственной проблемы», - добавляет ученый.
И это действительно урок. Современные ученые с мощными инструментами редактирования генов, такими как CRISPR, все еще могут учиться на неожиданных решениях природы. Липпман также объясняет, что эта работа также подчеркивает, как много в геномах остается скрытым даже от современных инструментов секвенирования. Без обширной истории помидора компании Campbell Soup Company, которая показала ученым, где искать, даже эта загадочная мутация, возможно, осталась бы скрытой.
[Посмотрите, как Липпман обсуждает, как загадочная мутация предлагает поучительную историю для редактирования генов культур:
«Пример, который мы представили, очень черно-белый», - говорит Липпман. «Тем не менее, я довольно уверенно говорю, что будет много примеров загадочных вариаций, которые будут гораздо более нюансированными и тонкими по своим эффектам».
И это, добавляет он, делает эту историю поучительной. «Если у вас есть конкретный ген, который вы хотите использовать для улучшения признака, например, путем редактирования генов, вполне может случиться так, что результат будет не таким, как вы ожидали».
Задача, таким образом, состоит в том, чтобы определить, как сделать загадочную вариацию более предсказуемой. Анализ примеров, таких как случай мутации j2, дает важные подсказки для этой будущей работы.
«Даже сегодня селекция растений во многом непредсказуема», - отмечает Сойк. «Наши результаты теперь могут быть использованы селекционерами для разработки более эффективных стратегий селекции для улучшения сбора урожая с использованием бессоставной мутации», но как насчет других культур?
«Вот к чему мы движемся в наших исследованиях», - говорит Липпман. «Мы хотим попытаться выяснить среди всего моря существующих мутаций, какие из них с наибольшей вероятностью могут быть загадочными по своей природе и проявятся, когда вы будете использовать редактирование генов».
Исследователи надеются, что, если они смогут лучше предсказать, когда могут возникнуть загадочные мутации, они смогут избежать непредвиденных проблем как при разведении, так и при редактировании генома.