새로운 발견은 식물 꽃가루나 정자, 인간 난자와 같은 생식 세포에서 일어나는 유전적 교환의 수와 위치를 결정하는 요인을 설명합니다.
생식 세포가 감수 분열이라고 불리는 특별한 세포 분열에 의해 생성될 때 염색체는 DNA의 큰 부분을 교환합니다. 이것은 각각의 새로운 세포가 고유한 유전적 구성을 갖도록 하고 일란성 쌍둥이를 제외하고는 두 형제가 유전적으로 완전히 동일하지 않은 이유를 설명합니다.
이러한 DNA 교환 또는 교차(교차)는 유전적 다양성, 진화의 원동력을 만드는 데 필요하며 염색체를 따라 빈도와 위치가 엄격하게 제어됩니다.
새로운 연구의 저자 중 한 명인 Dr. Chris Morgan은 이 현상의 중요성을 설명합니다. 교배 위치를 결정하는 메커니즘을 이해함으로써 육종 방법을 발견하고 교배 위치를 변경하여 기존 동식물 육종 기술을 개선할 가능성이 더 높습니다.”
한 세기가 넘는 연구에도 불구하고 교차가 어디에서 얼마나 많이 형성되는지를 결정하는 세포 메커니즘은 대부분의 저명한 과학자들을 매료시키고 실망시킨 미스터리로 남아 있습니다. "교차 간섭"이라는 문구는 1915년에 만들어졌으며 염색체의 한 위치에서 교차가 발생할 때 교차가 근처에서 형성되는 것을 방지한다는 관찰을 설명합니다.
수학적 모델링과 초고해상도 현미경 "3D-SIM"의 고급 조합을 사용하여 John Innes Center 연구팀은 어떤 교차 수와 위치가 "정확한지" 확인하는 메커니즘을 식별하여 이 오래된 미스터리를 해결했습니다. 너무 많이, 너무 적게, 너무 가깝지 않게 서로.
연구팀은 감수분열에서 교차 형성에 중요한 역할을 하는 HEI10이라는 단백질의 행동을 연구했다. 초고해상도 현미경은 HEI10 단백질이 염색체를 따라 클러스터링되어 초기에 많은 작은 클러스터를 형성함을 보여주었습니다.
그러나 시간이 지남에 따라 HEI10 단백질은 훨씬 더 큰 클러스터의 소수에만 집중되어 임계 질량에 도달하면 교차 형성을 유발할 수 있습니다.
그런 다음 이러한 측정을 HEI10 분자의 확산 및 클러스터링에 대한 간단한 규칙을 기반으로 이 클러스터링을 시뮬레이션하는 수학적 모델과 비교했습니다. 수학적 모델은 단순히 HEI10의 양을 변경하여 크로스오버 주파수를 안정적으로 수정할 수 있다는 것을 포함하여 많은 실험적 관찰을 설명하고 예측할 수 있었습니다.
“우리 연구는 Arabidopsis 생식 세포의 초고해상도 영상 데이터가 Arabidopsis의 교차 패턴화에 대한 '확산 매개 조대화' 수학적 모델과 일치함을 보여줍니다. 이 모델은 감수 염색체의 교차 패턴 형성을 이해하는 데 도움이 됩니다.”라고 과학자들은 말합니다.
Martin Howard 교수는 다음과 같이 덧붙입니다. “이 연구는 역학을 밝히기 위해 최첨단 실험과 수학적 모델링이 필요한 학제 간 연구의 훌륭한 예입니다. 흥미로운 미래 방향 중 하나는 우리 모델이 다른 유기체의 교차 패턴 형성을 얼마나 잘 설명할 수 있는지 평가하는 것입니다.”
이 연구는 교배가 대부분 염색체의 특정 영역으로 제한되어 육종가가 이러한 식물의 완전한 유전적 잠재력을 잠금 해제하는 것을 방지하는 밀과 같은 작물에 특히 유용할 것입니다.
이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.
2021-08-04 03:42:11
작가: Vitalii Babkin