Впервые исследователи из Института Стоуэрса картировали, где рекомбинация происходит по всему геному плодовой мушки Drosophila melanogaster после одного раунда мейоза. Их результаты показывают, что отдельные механизмы позиционируют два основных вида событий рекомбинации, кроссоверы и непересечения.
Результаты, которые публикуются в Интернете перед печатью в журнале Genetics, дают важную информацию о понимании хромосом и механизмов наследования.«Для меня удивительно, что более чем через 100 лет после открытия генетической рекомбинации у мух мы только начинаем понимать, как эти события распределяются», — говорит Р. Скотт Хоули, доктор философии, исследователь в Stowers Институт и старший автор исследования.Эта генетическая рекомбинация происходит во время особой формы деления клеток, называемой мейозом.
Во время мейоза клетка копирует все свои хромосомы, объединяет их в пары и перемещает участки генетического материала между плечами парных или гомологичных хромосом. Такое перемешивание может происходить одним из двух способов. В перекрестных событиях происходит обмен большими участками ДНК, как два человека обмениваются игральными картами. В событиях без кроссовера более мелкие фрагменты ДНК копируются с одной руки и наклеиваются на другую, как корона Червового Короля в руке одного игрока, внезапно появляющаяся на Пиковом Короле другого игрока.
Как только колода перемешана, клетка делится, а затем снова делится, чтобы создать четыре клетки, каждая из которых несет только одну копию генома организма. Рекомбинация гарантирует, что каждая гамета будет иметь уникальную копию каждой хромосомы, но когда процесс идет наперекосяк, это может привести к хромосомным аномалиям.
Например, неправильно расположенные кроссоверы или полное отсутствие кроссоверов на хромосоме 21 являются основной причиной трисомии 21 или синдрома Дауна у людей.За одним исключением, все предыдущие генетические исследования рекомбинации у Drosophila были сосредоточены либо на одном плече хромосомы, либо на группах мух, объединенных вместе. В этом исследовании исследователи Стоуэрса хотели определить, как кроссоверы и не кроссоверы распределяются по всем пяти основным хромосомным плечам плодовых мушек.
Кроссоверы относительно легко идентифицировать, потому что они включают целые хромосомные плечи или части плеч, охватывающие тысячи пар оснований, A, C, T и G, составляющих ДНК. Но непересекающиеся буквы труднее обнаружить, потому что они включают всего несколько сотен таких букв.Поэтому Дэнни Миллер, докторант Медицинского центра Канзасского университета, который проводит свои докторские исследования в лаборатории Хоули, был вынужден полагаться на секвенирование всего генома и новые компьютерные алгоритмы, чтобы точно определить места обоих видов событий.
Миллер, ведущий автор исследования, говорит, что проект дал ему возможность углубиться в генетические принципы, лежащие в основе здоровья и болезней человека. «Я хотел бы продолжить исследования как врач-ученый, когда я закончу учебу», — говорит Миллер, который планирует получить специальность в области детской онкологии или педиатрической медицинской генетики. «Я хочу иметь хорошее фундаментальное понимание генетики. Некоторые люди могут замалчивать эти основные вопросы, вместо того чтобы смотреть на данные и пытаться на них ответить».Только в этом исследовании Миллер собрал огромное количество данных. Во-первых, он скрестил две генетически разные разновидности плодовых мушек, которые, как известно, различаются примерно в 500000 различных точках своего генетического кода.
Затем Миллер секвенировал полные геномы 196 потомков и написал специальную компьютерную программу, которая могла сканировать 160 миллионов оснований каждого генома плодовой мухи для доказательства рекомбинации.Подход выявил в общей сложности 541 кроссовер и 291 не кроссовер. В отличие от кроссоверов, которые обычно распределяются по дистальным двум третям хромосомных плеч, некроссоверы были равномерно распределены между пятью основными хромосомными плечами. Некроссоверы образуются в местах, где кроссоверы случаются редко, например, возле узловатой центромеры, которая связывает плечи хромосом вместе.
И они возникли близко друг к другу, в отличие от кроссоверов, которые реагируют на явление, известное как интерференция, когда они пытаются сформироваться рядом с другими кроссоверами.Исследователи обнаружили, что количество кроссоверов широко варьируется не только в зависимости от их положения на плече хромосомы, но и от хромосомы к хромосоме. Например, они идентифицировали пять двойных кроссоверов на одном плече хромосомы 2 — меньше, чем ожидалось."Открытие подтверждает определенные знания, которые распространялись в этой области, — идею о том, что каждое из хромосомных плеч ведет себя немного по-разному, — но никто не знал наверняка, потому что никто не смотрел на каждое из плеч в тот же эксперимент ", — говорит Хоули. «Мы обнаружили, что у каждой хромосомы есть свои правила, обеспечивающие получение кроссоверов именно там, где она хочет».
Помимо кроссоверов и непересечений, исследователи также заметили доказательства дупликаций и делеций, вызванных присутствием транспозонов, особого класса генетических элементов, которые могут переходить из одной области генома в другую. Эти мобильные элементы представляют собой серьезную проблему для мейотического аппарата, поскольку они могут искажать спаривание гомологичных хромосом, вызывая дупликации или делеции генетического материала, которые влияют на жизнеспособность организма.
В соответствии с предыдущими отчетами, исследование выявило мобильные элементы в 1-2 процентах генома.