Die neue Entdeckung erklärt, was die Anzahl und Position des genetischen Austauschs bestimmt, der in Keimzellen wie Pflanzenpollen oder Spermien und menschlichen Eiern stattfindet.
Wenn Keimzellen durch eine spezielle Zellteilung namens Meiose produziert werden, tauschen Chromosomen große DNA-Abschnitte aus. Dies stellt sicher, dass jede neue Zelle eine einzigartige genetische Ausstattung hat und erklärt, warum außer eineiigen Zwillingen keine zwei Geschwister genetisch völlig identisch sind.
Diese DNA-Austausche oder Crossovers (Crossovers) sind notwendig, um genetische Vielfalt, die treibende Kraft der Evolution, zu schaffen, und ihre Häufigkeit und Position entlang der Chromosomen wird streng kontrolliert.
Einer der Autoren der neuen Studie, Dr. Chris Morgan, erklärt die Bedeutung dieses Phänomens: „Crossover-Positionierung hat wichtige Auswirkungen auf Evolution, Fruchtbarkeit und selektive Züchtung. Durch das Verständnis der Mechanismen, die die Positionierung des Crossovers antreiben, ist es wahrscheinlicher, dass wir Züchtungsmethoden aufdecken und die Positionierung des Crossovers ändern können, um bestehende Pflanzen- und Tierzuchttechnologien zu verbessern.
Trotz mehr als einem Jahrhundert Forschung ist der zelluläre Mechanismus, der bestimmt, wo und wie viele Crossover gebildet werden, weitgehend ein Rätsel geblieben, das viele bedeutende Wissenschaftler fasziniert und enttäuscht hat. Der Begriff "Cross-Interferenz" wurde 1915 geprägt und beschreibt die Beobachtung, dass ein Crossover an einer Stelle auf einem Chromosom verhindert, dass sich Crossovers in der Nähe bilden.
Mit einer fortschrittlichen Kombination aus mathematischer Modellierung und ultrahochauflösender Mikroskopie "3D-SIM" hat das Forschungsteam des John Innes Center dieses uralte Rätsel gelöst, indem es einen Mechanismus identifiziert hat, der sicherstellt, welche Kreuzungszahl und -position "richtig" sind: nicht zu viel, nicht zu wenig und nicht zu nah beieinander.
Das Forscherteam untersuchte das Verhalten eines Proteins namens HEI10, das eine wichtige Rolle bei der Crossover-Bildung in der Meiose spielt. Ultrahochauflösende Mikroskopie zeigte, dass HEI10-Proteine entlang der Chromosomen gruppieren und zunächst viele kleine Cluster bilden.
Im Laufe der Zeit konzentrieren sich HEI10-Proteine jedoch nur in wenigen, viel größeren Clustern, die bei Erreichen der kritischen Masse eine Crossover-Bildung auslösen können.
Diese Messungen wurden dann mit einem mathematischen Modell verglichen, das diese Clusterbildung basierend auf der Diffusion von HEI10-Molekülen und einfachen Regeln für ihre Clusterbildung simuliert. Das mathematische Modell war in der Lage, viele experimentelle Beobachtungen zu erklären und vorherzusagen, einschließlich der Tatsache, dass die Übergangsfrequenz durch einfaches Ändern der Menge an HEI10 zuverlässig modifiziert werden konnte.
„Unsere Studie zeigt, dass die ultrahochaufgelösten Bildgebungsdaten von Arabidopsis-Reproduktionszellen mit dem mathematischen Modell der ‚diffusionsvermittelten Vergröberung' für die Kreuzmusterung bei Arabidopsis übereinstimmen. Das Modell hilft uns, die Bildung des Crossover-Musters meiotischer Chromosomen zu verstehen“, sagen die Wissenschaftler.
Professor Martin Howard fügt hinzu: „Diese Arbeit ist ein hervorragendes Beispiel für interdisziplinäre Forschung, die modernste Experimente und mathematische Modellierung erforderte, um die Mechanik aufzudecken. Eine interessante zukünftige Richtung wird es sein, zu beurteilen, wie gut unser Modell die Bildung von Crossover-Mustern in anderen Organismen erfolgreich erklären kann.“
Diese Forschung wird besonders für Nutzpflanzen wie Weizen nützlich sein, bei denen Kreuzungen meist auf bestimmte Chromosomenregionen beschränkt sind, was die Züchter daran hindert, das volle genetische Potenzial dieser Pflanzen auszuschöpfen.
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
2021-08-04 03:42:11
Autor: Vitalii Babkin