W organizmach rozmnażających się płciowo osobniki przypominają swoich rodziców, ale nigdy nie są identyczne. Zmienność tę przypisuje się procesowi mejozy, w wyniku którego powstają komórki jajowe i plemniki u zwierząt lub pyłki u roślin. W przeciwieństwie do podziału komórek somatycznych (mitozy), która powoduje duplikację i podział genomu, mejoza tworzy genetycznie zróżnicowane komórki dzięki procesowi crossing-over.
Czytaj też: Jeżeli masz te geny, to wygrałeś na loterii – jesteś chroniony przed podstępnymi chorobami
Teraz zespół naukowców z Pohang University of Science and Technology (POSTECH) pod kierunkiem prof. Kyuha Choi dokonał niezwykłego wyczynu i rozszyfrował proces crossing-over u rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana). Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Plants.
Proces crossing-over wreszcie rozszyfrowany
Crossing-over to jeden z najbardziej podstawowych procesów zwiększających zmienność genetyczną u organizmów żywych. Polega na wymianie odcinków chromatyd między chromosomami homologicznymi i zachodzi w profazie I mejozy. W wyniku crossing-over między chromatydami powstają połączenia zwane chiazmami, które nagle są rozrywane, umożliwiając wymianę odcinków. Bez tego procesu prawdopodobnie nie różnilibyśmy się tak bardzo od swoich rodziców.
Czytaj też: Niesamowite! Nie ma tam ludzi, ale geny bakterii już się zadomowiły
Mejoza i proces crossing-over mają znaczące implikacje w hodowli, w której następuje selekcja i uprawa roślin o lepszych cechach. Zazwyczaj większość gatunków zwierząt i roślin wykazuje co najmniej jedno i maksymalnie trzy procesy crossing-over na parę chromosomów homologicznych.
Możliwość kontrolowania liczby crossing-over może prowadzić do uprawy roślin o określonych pożądanych cechach, ale do tej pory było to trudne ze względu na niepożądane zjawisko zwane “interferencją crossing-over”. W wyniku niego jeden proces crossing-over hamuje inicjację kolejnego w pobliżu tego samego chromosomu, co jako pierwszy zaobserwował u muszek owocowych genetyk Hermann J. Muller w 1916 r. Pomimo nieustannych wysiłków badaczy prowadzonych w ciągu ostatniego stulecia, dopiero teraz mechanizmy leżące u podstaw interferencji crossing-over zaczęły odkrywać swoje tajemnice.
Koreańscy naukowcy wykorzystali wysokowydajną fluorescencyjną metodę oceny nasion, aby bezpośrednio zmierzyć częstotliwość crosssing-over u rzodkiewnika. Za pomocą badań genetycznych zidentyfikowali mutanta o nazwie hcr3, który wykazywał zwiększony współczynnik crossing-over na poziomie genomu. Dalsza analiza ujawniła, że podwyższoną zmienność w hcr3 należy przypisać mutacji punktowej w genie J3, który koduje czaperona (białko opiekuńcze) spokrewnionego z białkiem HSP40.
Badania te wykazały, że sieć obejmująca czaperona HCR3/J3/HSP40 i HSP70 kontroluje interferencję crossing-over i lokalizację, ułatwiając degradację ligazy ubikwitynowej E3 HEI10. Zastosowanie metod badania genetycznego w celu odkrycia szlaku interferencji crossing-over i hamowania z powodzeniem rozwiązało stuletnią zagadkę w naukach przyrodniczych.
Prof. Kyuh Choi mówi:
Mamy nadzieję, że badania te przyczynią się do hodowli nowych odmian roślin i identyfikacji przydatnych odmian naturalnych odpowiedzialnych za pożądane cechy, takie jak odporność na choroby i stres środowiskowy, zwiększoną produktywność czy produkcję o wysokiej wartości.