W styczniu kolejna praca zespołu prof. Piotra Ziółkowskiego z Wydziału Biologii UAM została opublikowana w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature Communications. Tym razem badania dotyczyły wpływu polimorfizmów DNA na aktywność gorących miejsc rekombinacji (ang. recombination hotspots) u Arabidopsis thaliana.

Każdy organizm, rozmnażający się płciowo, posiada podwójny zestaw genów: jeden pochodzący od ojca, drugi od matki. Tworzenie gamet (u ludzi są to komórka jajowa i plemniki) zachodzi podczas mejozy, która zapewnia redukcję materiału genetycznego o połowę. Dzięki czemu po połączeniu komórki jajowej i plemnika, organizm potomny będzie miał również podwójny zestaw genów.

Podczas mejozy dochodzi do zdarzeń crossing-over, które zapewniają wymianę materiału genetycznego między rodzicielskimi chromosomami nazywany rekombinacją mejotyczną. Zjawisko crossing-over to jedno z podstawowych narzędzi w rękach hodowców. Umożliwia tasowanie alleli genów w krzyżówkach pomiędzy różnymi odmianami i selekcji w kierunku odpowiedniej cechy. Jest to długotrwały proces, ponieważ crossing-over mają tendencję do skupiania się w wąskich regionach chromosomowych określanych jako gorące miejsca rekombinacji. Zarówno liczba, jak i dystrybucja crossing-over są ściśle kontrolowane, a poznanie czynników wpływających na zachodzenie crossing-over mogłoby przyczynić się do przyspieszenia procesu poprawy wartości użytkowej danej rośliny.

Poważnym ograniczeniem w badaniach crossing-over jest brak wydajnych metod pozwalających na ich mapowanie z dużą rozdzielczością. Naukowcy z UAM pod kierunkiem prof. Piotra Ziółkowskiego opracowali nowatorską metodę, seed-typing, która umożliwia identyfikację miejsca zajścia crossing-over z niespotykaną dotąd rozdzielczością. Metoda ta opiera się na użyciu bardzo krótkich interwałów posiadających na swoich końcach geny reporterowe kodujące białka zielonej i czerwonej fluorescencji, które ulegają ekspresji w nasionach. Jeśli między dwoma genami reporterowymi wystąpi zdarzenie crossing-over, zrekombinowane nasiona można w łatwy sposób zidentyfikować pod mikroskopem na podstawie ich fluorescencji. Późniejsza amplifikacja interwału między dwoma reporterami i sekwencjonowanie nowej generacji (NGS) prowadzi do identyfikacji miejsc crossing-over w oparciu o polimorfizmy pojedynczego nukleotydu występujące pomiędzy rodzicami.

Maja Szymańska-Lejman, pierwsza autorka publikacji, utworzyła kilka bardzo krótkich interwałów, jeden z nich, nazwany Chili Pepper (ChP), ma zaledwie 26 kpz i obejmuje najbardziej aktywny rekombinacyjnie region znajdujący się na chromosomie trzecim u Arabidopsis. Przy wykorzystaniu seed-typing, Maja odkryła, że w obrębie ChP znajdują się trzy, bardzo silne gorące miejsca rekombinacji. Każde z nich otrzymało nazwę na cześć psów osób zaangażowanych w projekt. W związku z tym, są to: Aro, Coco i Nala, przy czym Coco jest najaktywniejszym miejscem w ChP (pies prof. Ziółkowskiego).

Jednym z czynników wpływających na dystrybucję zdarzeń crossing-over jest polimorfizm sekwencji DNA między chromosomami homologicznymi, czyli różnice między chromosomami rodzicielskimi. U roślin, w skali całego genomu, zaobserwowano zwiększoną częstość crossing-over w regionach bardziej polimorficznych (Ziolkowski et al., 2015). Niedawno grupa prof. Ziółkowskiego we współpracy z prof. Hendersonem z Uniwersytetu w Cambridge udowodniła, że efekt ten jest zależny od białka detekcji błędnie sparowanych zasad DNA – MSH2 (Blackwell, Dłużewska et al., 2020).

- W tej pracy zbadaliśmy związek między polimorfizmem sekwencyjnym DNA (SNP), a aktywnością gorących miejsc rekombinacji w mutantach msh2, w których nie działa system detekcji błędnie sparowanych zasad DNA. Co zaskakujące, polimorficzne gorące miejsca rekombinacji wykazują zmniejszoną aktywność w mutantach msh2. Aby potwierdzić bezpośredni wpływ polimorfizmów na dystrybucję crossing-over wygenerowaliśmy również linie, w których polimorfizmy były obecne tylko w regionie ChP (26 kb) podczas gdy reszta genomu była ich pozbawiona (130 Mb). Pomiar rekombinacji w otrzymanych liniach w typie dzikim oraz w mutancie genu MSH2 potwierdził, że lokalne polimorfizmy stymulują zachodzenie crossing-over w hotspotach, a efekt ten jest zależny od białka MSH2.

Zaledwie 44 polimorfizmy wystarczyły, aby rekombinacja w interwale ChP była istotnie wyższa, niż w linii wsobnej! – tłumaczy prof. Ziółkowski.

Model przedstawiający, że gorące miejsca rekombinacji (ang. hotspots) zlokalizowane w bardziej polimorficznych regionach są aktywniejsze, niż sąsiadujące, znajdujące się w regionach mniej polimorficznych. Jest to związane ze stymulacją zależną od MSH2 (Nature Communications).

Są to pierwsze, tak szczegółowe badania przeprowadzone w roślinach, które dostarczają nowych informacji na temat roli polimorfizmów i genów detekcji niesparowań na poziomie gorących miejsc rekombinacji. Zrozumienie wpływu czynników stymulujących rekombinację na poziomie gorących miejsc rekombinacji jest niezwykle ważne. Wiedza ta, może przyczynić się do kierowania crossing-over w takie regiony DNA, które pozwolą na selekcję genów warunkujących odporność na zmieniające się warunki klimatyczne lub zapewniające wyższe plony w roślinach uprawnych.

Artykuł zatytułowany „The effect of DNA polymorphisms and natural variation on crossover hotspot activity in Arabidopsis hybrids” jest dostępny w Nature Communications pod linkiem: https://www.nature.com/articles/s41467-022-35722-3.

Zobacz też: Artykuł zespołu prof. Ziółkowskiego w Nature Communications