Ускорение эволюции всего генома путем создания суррогатной хромосомы

В каждой отдельной клетке нашего тела наша ДНК, молекула, несущая инструкции по развитию и росту, собирается с белками в структуры, называемые хромосомами. Полные наборы хромосом вместе составляют геном, полную генетическую информацию организма. У большинства организмов, включая нас, хромосомы выглядят как Х-образные структуры, когда они захвачены в их конденсированном и мультиплексированном состоянии при подготовке к клеточному делению. Фактически, эти структуры могут быть одними из самых известных структур во всей науке. Форма X обусловлена ​​узкой областью, называемой центромерой, которая служит для соединения сестринских хроматид, зеркальных копий, образованных репликацией ДНК хромосомы. Большинство изученных организмов являются «моноцентрическими», что означает, что центромеры ограничены одной областью на каждой хромосоме. Однако многие животные и растительные организмы обнаруживают совершенно иную организацию центросом: вместо одиночного сокращения, как в классических Х-образных хромосомах, хромосомы этих организмов содержат множественные центриоли, расположенные в линию от одного конца сестринской хроматиды до другого. Таким образом, у этих хромосом отсутствует первичная перетяжка и Х-образная форма, и виды с такими хромосомами известны как «центр тела» от древнегреческого слова Добро пожаловать Значение «полный».

Новое исследование, проведенное Андре Маркизом из Института исследований селекции растений им. Макса Планка в Кельне, Германия, раскрывает удивительные эффекты этого неклассического способа организации хромосом на структуру и эволюцию генома.

Чтобы определить, как универсальность влияет на геном, Маркес и его команда использовали технологию секвенирования ДНК с высоким разрешением для расшифровки геномов трех близко расположенных клювовидных цветковых растений, травянистых цветковых растений, встречающихся по всему миру, которые часто являются ранними захватчиками новых мест обитания. Для справки, команда также расшифровала геномы их ближайших моноцентрических родственников. Таким образом, сравнение клювовидной колли с ее моноцентрическим родственником позволило авторам приписать любые наблюдаемые различия эффектам холизма.

Их анализ выявил поразительные различия в организации генома и поведении хромосом в макроорганизмах. Они обнаружили, что функция центромеры распределена по сотням небольших центромерных доменов в стереотипных хромосомах. Если у моноцентрических организмов гены в значительной степени сконцентрированы вдали от центромер и непосредственно их окружают, то у центромерных видов они равномерно распределены по всей длине хромосом. Кроме того, известно, что хромосомы у моноцентрических видов имеют высокую степень перекрытия друг с другом во время клеточного деления, свойство, которое, по-видимому, играет роль в регуляции экспрессии генов. Примечательно, что эти дальнодействующие взаимодействия были резко уменьшены в клювовидных тяжах с голоцентромерой. Таким образом, включение в основном влияет на организацию генома, а также на поведение хромосом во время клеточного деления.

У универсальных организмов почти любая часть хромосом будет содержать центросому и, следовательно, будет иметь надлежащую функцию центросомы, что неверно для моноцентрических видов. Таким образом, считается, что голоцентромеры стабилизируют хромосомные фрагменты и слияния и, таким образом, способствуют быстрой эволюции генома или способности организма вносить немедленные и всеобъемлющие изменения в свою ДНК. В одном из проанализированных стаканов Маркс и его команда смогли показать, что слияние хромосом, которому способствуют голоцентромеры, позволяет этим видам сохранять одинаковое число хромосом даже после того, как весь геном был увеличен в четыре раза. Было обнаружено, что у другого из проанализированных клюворылых, вида с двумя хромосомами, что меньше, чем у любого другого растения, включение ответственно за значительное уменьшение числа хромосом. Таким образом, полные хромосомы могут способствовать формированию новых видов посредством быстрой эволюции на уровне генома.

По словам Маркеса, «наше исследование показывает, что переход к холизму значительно повлиял на то, как геномы структурированы и организованы, а также позволил геномам быстро развиваться за счет слияния их хромосом». Выводы команды также показывают интересные последствия для селекции растений, которая обычно зависит от способности обмениваться ДНК и генами между хромосомами и организмами. «Целостные растения допускают обмен ДНК вблизи центромер, что обычно подавляется у моноцентрических видов. Понимание того, как это сделать, может позволить нам разблокировать эти гены у моноцентрических видов и сделать их доступными для лучшего размножения — наиболее устойчивой продуктивной культуры. разновидность.»