Nieuwe theorie van genetische recombinatie

In de meeste hogere organismen, inclusief de mens, draagt ​​elke cel twee versies van elk gen, die allelen worden genoemd. Elke ouder geeft één allel door aan elk nageslacht. Omdat ze op chromosomen aan elkaar zijn gekoppeld, worden aangrenzende genen meestal samen geërfd. Dit is echter niet altijd het geval. Waarom?

Het antwoord is recombinatie, een proces dat tijdens de celdeling het allelgehalte tussen homologe chromosomen verschuift. Mechanistisch wordt recombinatie bereikt door cross-overs, waarbij homologe chromosomen met elkaar in contact komen, wat resulteert in de uitwisseling van genetisch materiaal.

Cross-overs fascineren wetenschappers en vooral plantenveredelaars al lang, omdat het manipuleren van het cross-overproces de mogelijkheid biedt om de genetische diversiteit te vergroten en de gewenste combinaties van allelen samen te stellen die de productiviteit van gewassen verhogen. Crossovers zijn onderworpen aan een „Goldilocks-principe“; er is ten minste één nodig per chromosoompaar voor een succesvolle seksuele voortplanting; inderdaad, een gebrek aan cross-overs is een belangrijke oorzaak van menselijke trisomie, zoals in het geval van het syndroom van Down. Crossover-nummers zijn ook streng gereguleerd en over het algemeen niet meer dan drie. Deze limiet op het aantal crossovers, en dus recombinatie, wordt bereikt door crossover-interferentie, een fenomeen waardoor crossovers extra crossovers in hun omgeving verhinderen. Hoe deze interferentie werkt, is echter een mysterie gebleven sinds het zo’n 120 jaar geleden voor het eerst werd beschreven.

Nieuw model van crossover-interferentie

Nu heeft een team onder leiding van Raphael Mercier van het Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Keulen, Duitsland, overtuigend bewijs gevonden ter ondersteuning van een recentelijk voorgesteld model van crossover-interferentie. Mercier en zijn team hebben, samen met medewerkers, in werk onder leiding van Stéphanie Durand, Qichao Lian en Juli Jing, deze inzichten bereikt door de expressie te manipuleren van eiwitten waarvan bekend is dat ze betrokken zijn bij het bevorderen van cross-overs of bij het verbinden van chromosomen in de modelplant Arabidopsis thalianaeen soort die Mercier en zijn collega’s gebruiken om fundamenteel inzicht te krijgen in de mechanismen van erfelijkheid.

Het stimuleren van de expressie van het pro-crossover-eiwit HEI10 resulteerde in een significante toename van cross-overs, evenals het verstoren van de expressie van het eiwit ZYP1, een bestanddeel van het synaptonemale complex, een eiwitstructuur die zich vormt tussen homologe chromosomen.

Toen de wetenschappers de twee interventies combineerden, waren ze verrast om een ​​enorme toename van cross-overs waar te nemen, wat aantoont dat HE10-dosering en ZYP1 gezamenlijk de CO-patronen controleren. Belangrijk is dat het massaal toenemende cross-overs op deze manier de celdeling nauwelijks beïnvloedde.

De aanzienlijke toename van crossovers bij toenemende HEI10-niveaus past goed bij een opkomend model voor hoe het crossover-nummer wordt gereguleerd. Dit model, geformuleerd door David Zwicker en zijn team van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen, Duitsland, is gebaseerd op diffusie van het HEI10-eiwit langs het synaptonemale complex en een verruwingsproces dat leidt tot goed gespreide HEI10-foci die kruisbestuivingen bevorderen. In het model vormt HEI10 aanvankelijk meerdere kleine foci en wordt geleidelijk geconsolideerd tot een klein aantal grote foci die samen met sites van cross-overs worden gelokaliseerd. In dit eenvoudige model zal het verhogen van de niveaus van HEI10 resulteren in meer foci en dus meer cross-overs; De vorming van druppeltjes langs een as lijkt dus de bepalende factor te zijn voor oversteekplaatsen.

Mercier is enthousiast over de bevindingen van het team, maar kijkt ook al vooruit: “Deze resultaten zijn een opwindend inzicht in een proces dat wetenschappers al meer dan honderd jaar verbijsterd. Vervolgens willen we beter begrijpen wat de dynamiek van de HEI10-druppels regelt en hoe ze crossovers bevorderen. Als we beter grip krijgen op hoe het proces werkt, kan dit ons in staat stellen om selectief recombinatie te stimuleren tijdens de plantenveredeling, waardoor combinaties van gunstige allelen die buiten bereik zijn gebleven, kunnen worden samengesteld.”

Referentie: Durand S, Lian Q, Jing J, et al. Gezamenlijke controle van meiotische crossover-patronen door het synaptonemale complex en HEI10-dosering. Nat Comms. 2022;13(1):5999. doi: 10.1038/s41467-022-33472-w.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd op basis van de volgende materialen. Opmerking: materiaal is mogelijk bewerkt voor lengte en inhoud. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de genoemde bron.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert