Разгадана вековая тайна мейоза: как генетика ограничивает разнообразие потомства

Исследователи из POSTECH раскрыли конкретный молекулярный стоп-кран, который ограничивает ключевой процесс мейоза — кроссинговер. Именно это ограничение сдерживает взрыв генетического разнообразия и, как следствие, замедляет селекцию. Представьте: теперь время на выведение растения с идеальными свойствами можно сократить в разы. Сто лет ожидания того стоили.

Танцующие хромосомы: как мейоз создаёт уникальность

Организмы, размножающиеся половым путём, — это всегда компромисс. Дети похожи на родителей, но не являются их клонами. Виноват в этом мейоз — особый тип деления, который создаёт половые клетки. В отличие от обычного деления, где геном просто копируется, мейоз устраивает настоящую генетическую лотерею. Её главный механизм — кроссинговер.

Представьте две парные хромосомы. Во время кроссинговера они разрываются в определённых местах и обмениваются своими фрагментами, как будто переплетаются. Это и есть то самое «перемешивание» генов. Чем больше таких точек разрыва — тем причудливее и разнообразнее комбинации в потомстве.

Этот процесс — основа всего биологического разнообразия и краеугольный камень селекции. От него зависит, сколько вариантов растения селекционер увидит перед собой, чтобы выбрать самый урожайный, самый устойчивый, самый вкусный.

Но природа, как выяснилось, большая консерваторка. У большинства видов животных и растений наблюдается жёсткий лимит: от одного до трёх таких разрывов на пару хромосом. А что, если этот лимит снять? Получить больше новых хромосом, непохожих на родительские. Тогда выращивать культуры с заданными свойствами станет проще простого. Но как обойти вековой запрет?

Столетняя загадка: что стоит на пути разнообразия?

Виновник известен давно — это так называемая кроссинговерная интерференция. Открыл её ещё в 1916 году генетик Герман Дж. Мюллер, экспериментируя с плодовыми мушками. Суть проста: если разрыв уже произошёл, новый нельзя делать рядом. Но почему? Каков молекулярный механизм этого «закона подлости»? Целый век наука билась над этой загадкой без ответа.

Почему максимум три? Возможно, природа просто страхуется. Слишком много разрывов — и хромосома рискует превратиться в генетическую мозаику, которую уже не собрать в рабочую структуру. Эволюционно это разумно: лучше меньше, да стабильнее. Но для человека, который хочет быстро вывести новый сорт пшеницы, это большая помеха.

В новом исследовании учёные нашли растение-мутант, которое этот запрет игнорирует. Его назвали hcr3 (от «high crossover rate» — высокая скорость кроссинговера). На геномном уровне у него было неожиданно много точек разрыва. Оставалось лишь сравнить его с обычной резуховидкой Таля и найти причину такой щедрости.

Белковый стоп-кран: как один ген меняет правила

Анализ показал удивительное. Всё дело в точечной мутации всего в одном гене — J3. Этот ген кодирует белок-кошаперон, родственный HSP40. Оказалось, что целая сеть белков (HCR3/J3/HSP40 и шаперон HSP70) действует как строгий регулятор. Она контролирует, где произойдёт разрыв, и не даёт новым появляться слишком близко.

Как? Эта сеть попросту отключает ключевой белок HEI10, ответственный за инициацию кроссинговера. Нет активного HEI10 — нет и нового разрыва. А у мутанта hcr3 сломана именно эта система контроля. Белок HEI10 получает карт-бланш и создаёт множество точек разрыва. Хромосомы перемешиваются так интенсивно, как никогда раньше, порождая невероятное генетическое разнообразие. И всё это — из-за изменения всего одного нуклеотида в геноме. Поразительно, не правда ли?

«Применение этого открытия в сельском хозяйстве позволит нам быстро накапливать полезные признаки, радикально сокращая время селекции, — говорит профессор POSTECH Кюха Чой. — Мы надеемся, что это поможет в выведении новых сортов, устойчивых к болезням, стрессам и обладающих высокой урожайностью».

Но, возможно, есть что-то даже более важное, чем практическая выгода. Мы наконец-то приподняли завесу над одной из старейших тайн жизни. Сто лет вопросов, и вот — ясный, изящный ответ на молекулярном уровне. Разве это не прекрасно?