生殖细胞如何得到正确的基因组合?

一项新发现解释了确定的数量和位置发生在生殖细胞的基因交流,如植物的花粉和鸡蛋,或人类的精子和卵子。

当生殖细胞是由一种特殊的细胞分裂称为减数分裂,染色体交换DNA大片段。这可以确保每个新细胞都有一个独特的基因组成和解释了为什么,除了同卵双胞胎,从来没有两个兄弟姐妹完全基因相似。

这些交流的DNA,或者跨界车,生成遗传多样性至关重要,进化的驱动力,他们沿着染色体是严格控制的频率和位置。

Co-first研究》的作者克里斯·摩根博士解释了这一现象的意义:“交叉定位有重要影响进化,生育和选育。通过理解驱动交叉定位的机制,我们更有可能能够发现修改交叉定位的方法来改善当前的植物和动物育种技术。”

尽管一个多世纪的研究,细胞机制决定,和多少,跨界车仍主要是神秘的形式,一个谜,吸引许多杰出的科学家和沮丧。发明“交叉干扰”一词,是1915年,描述了观测,当染色体交叉发生在一个位置,它能抑制附近形成的跨界车。

使用先进的数学模型和“3 d-sim”超分辨率显微术,约翰英纳斯中心的一个研究小组已经解决了这个世纪古老神秘通过识别机制,确保交叉数字和位置都是“刚刚好”:不是太多,不是太少,不太紧密。

团队研究蛋白质的行为叫做HEI10在减数分裂交叉形成的过程中发挥着不可或缺的作用。超分辨率显微镜显示HEI10蛋白质集群沿着染色体,最初形成大量的小群体。

然而,随着时间的流逝,HEI10蛋白质只集中在一小部分更大的集群,一旦达到临界量,可以触发交叉形成。

这些测量对一个数学模型模拟这个集群相比,基于HEI10分子扩散和简单的规则聚类。数学模型能够解释和预测许多实验观察,包括交叉频率可以可靠地修改,只需改变HEI10量。

Co-first作者约翰Fozard博士解释说:“我们的研究显示,超分辨率图像数据的拟南芥生殖细胞是一致的数学“diffusion-mediated粗化”模型在拟南芥交叉模式。模型可以帮助我们理解跨界车的模式以及减数分裂染色体”。

约翰英纳斯中心遗留的工作建立在利用植物作为生物模型研究守恒和遗传学的基本方面。同样的过程也被研究约翰英纳斯中心的校友J.B.霍尔丹和西里尔达灵顿在1930年代。模型还支持预测,是由另一个著名的约翰英纳斯中心的校友,罗宾·霍利迪在1970年代。

通讯作者,马丁•霍华德教授补充说:“这项工作是一个很好的例子的跨学科研究,先进的实验和数学模型都需要解锁的核心机制。一个激动人心的未来大道将评估我们的模型是否能成功地解释交叉模式在其他多样化的生物。”

这项研究将特别有价值的谷类作物,如小麦、跨界车的大多局限于染色体的特定区域,防止这些植物的遗传潜力用于植物育种者。

参考:摩根C, Fozard JA,哈特利M,亨德森IR, Bomblies K,霍华德·M·Diffusion-mediated HEI10粗化可以解释减数分裂交叉定位在拟南芥。Nat审稿。2021;12 (1):4674。doi:10.1038 / s41467 - 021 - 24827 - w。

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