La nuova scoperta spiega cosa determina il numero e la posizione degli scambi genetici che avvengono nelle cellule germinali, come il polline delle piante o lo sperma e gli ovuli umani.
Quando le cellule germinali sono prodotte da una divisione cellulare speciale chiamata meiosi, i cromosomi si scambiano grandi segmenti di DNA. Ciò garantisce che ogni nuova cellula abbia un corredo genetico unico e spiega perché, ad eccezione dei gemelli identici, nessun fratello è geneticamente identico.
Questi scambi di DNA o crossover (crossover) sono necessari per creare la diversità genetica, la forza trainante dell'evoluzione, e la loro frequenza e posizione lungo i cromosomi sono strettamente controllate.
Uno degli autori del nuovo studio, il dott. Chris Morgan, spiega il significato di questo fenomeno: “Il posizionamento incrociato ha importanti implicazioni per l'evoluzione, la fertilità e l'allevamento selettivo. Comprendendo i meccanismi che guidano il posizionamento del crossover, è più probabile che saremo in grado di scoprire metodi di allevamento, modificare il posizionamento del crossover per migliorare le tecnologie esistenti di allevamento di piante e animali.
Nonostante più di un secolo di ricerche, il meccanismo cellulare che determina dove e quanto si formano i crossover è rimasto in gran parte un mistero che ha affascinato e deluso molti eminenti scienziati. La frase "interferenza incrociata" è stata coniata nel 1915 e descrive l'osservazione che quando un crossover si verifica in un punto su un cromosoma, impedisce la formazione di crossover nelle vicinanze.
Utilizzando una combinazione avanzata di modellazione matematica e microscopia ad altissima risoluzione "3D-SIM", il team di ricerca del John Innes Center ha risolto questo mistero secolare identificando un meccanismo che assicura che il numero e la posizione del crossover siano "corretti": non troppo, non troppo poco e non troppo vicini l'uno all'altro.
Il team di ricercatori ha studiato il comportamento di una proteina chiamata HEI10, che svolge un ruolo importante nella formazione del crossover nella meiosi. La microscopia ad altissima risoluzione ha mostrato che le proteine HEI10 si raggruppano lungo i cromosomi, formando inizialmente molti piccoli cluster.
Tuttavia, nel tempo, le proteine HEI10 sono concentrate solo in un piccolo numero di cluster molto più grandi, che, una volta raggiunta la massa critica, possono innescare la formazione di crossover.
Queste misurazioni sono state poi confrontate con un modello matematico che simula questo raggruppamento basato sulla diffusione di molecole HEI10 e semplici regole per il loro raggruppamento. Il modello matematico è stato in grado di spiegare e prevedere molte osservazioni sperimentali, inclusa la possibilità di modificare in modo affidabile la frequenza di crossover semplicemente modificando la quantità di HEI10.
“Il nostro studio mostra che i dati di imaging ad altissima risoluzione delle cellule riproduttive di Arabidopsis sono coerenti con il modello matematico 'ingrossamento mediato dalla diffusione' per il cross-pattering in Arabidopsis. Il modello ci aiuta a comprendere la formazione del modello crossover dei cromosomi meiotici ", affermano gli scienziati.
Il professor Martin Howard aggiunge: “Questo lavoro è un eccellente esempio di ricerca interdisciplinare che ha richiesto sperimentazioni all'avanguardia e modelli matematici per scoprire la meccanica. Un'interessante direzione futura sarà quella di valutare quanto bene il nostro modello possa spiegare con successo la formazione di schemi di crossover in altri organismi».
Questa ricerca sarà particolarmente utile per colture come il grano, in cui i crossover sono per lo più limitati a determinate regioni dei cromosomi, il che impedisce agli allevatori di sbloccare il pieno potenziale genetico di queste piante.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.
2021-08-04 03:42:11
Autore: Vitalii Babkin