Мобильные элементы или транспозоны — это последовательности ДНК, которые могут перемещать участки в геноме («прыгающие гены»). Обнаруженные в кукурузе лауреатом Нобелевской премии генетиком Барбарой МакКлинток в 1940-х годах, многие ученые долгое время считали, что они не играют большой роли в генетике. Однако другие, в том числе МакКлинток, считали, что транспозоны в геноме могут играть важную роль в клетках, включая регулирование экспрессии генов. Теперь мы знаем, что мобильные элементы встречаются у большинства организмов, составляя более 80 процентов генома кукурузы и почти 50 процентов генома человека.
До сих пор точное расположение транспозонов было неуловимым, в первую очередь потому, что их было так сложно упорядочить и собрать. Мишель Стицер, аспирантка кафедры популяционной биологии Калифорнийского университета в Дэвисе, и генетик кукурузы Джефф Росс-Ибарра, профессор наук о растениях, работали с коллегами из Колд-Спринг-Харбор и нескольких университетов и компаний, занимающихся геномными технологиями, над созданием нового эталонного генома кукурузы, включающего множество сложных повторяющихся областей. Новая технология секвенирования, которую они использовали, описана в недавней публикации Nature.
Выявление и классификация мобильных элементов кукурузы
«Более ранние эталонные геномы кукурузы не выявляли все повторяющиеся области», — сказал Стицер. «До сих пор мы знали относительное положение сегментов последовательности, но не все беспорядочные части между ними.
Эта новая технология позволила нам упорядочить все повторяющиеся области."Stitzer разработал методы определения положения транспозонов в кукурузе, даже когда они прыгают друг в друга.
«Публикация Nature была посвящена технологии, которая дала ценную высококачественную последовательность генома, — сказал Росс-Ибарра, — но затем Мишель создала вычислительные алгоритмы для идентификации отдельных мобильных элементов во всем геноме, чего раньше никогда не было."
"Ее работа раскрывает всю экологию транспозонов, полную сложных отношений конкуренции и сотрудничества. Это позволяет нам начать понимать богатое биоразнообразие генома как экосистемы."
Натан Спрингер, профессор Университета Миннесоты и соавтор статьи в Nature, отметил: «Новые подходы Мишель к идентификации и классификации полного набора мобильных элементов в кукурузе должны привести к новым фундаментальным биологическим открытиям."
Новые окна в исследованиях транспозонов
По словам Стицера, транспозоны могут регулировать и изменять экспрессию близлежащих генов в зависимости от того, где они находятся в геноме. "Это очень важно знать, но было трудно определить, когда мы не могли выяснить, где они находятся в последовательности генома."
Известно, что вставки транспозонов и их влияние на экспрессию генов влияют на то, как растение кукурузы взаимодействует с окружающей средой. Например, различные вставки транспозонов придают засухоустойчивость, измененное время цветения, способность расти на токсичных почвах, богатых алюминием, и позволяют кукурузе распространиться в умеренных широтах, нарушая чувствительность к долгим дням в тропиках.
В целом, было показано, что вставки мобильных элементов изменяют экспрессию генов в стрессовых условиях. Но эти вставки с известными функциональными последствиями представляют собой лишь небольшую часть из сотен тысяч мобильных элементов в геноме кукурузы.
Дэймон Лиш, профессор Университета Пердью, изучающий регуляцию и эволюцию мобильных элементов растений, сказал: «Мы просто не сможем понять сложность геномов растений, если не сможем идентифицировать мобильные элементы.
Работа Мишель представляет собой бесценную дорожную карту, которая позволяет нам начать распутывать разнообразие всех генетических элементов, составляющих геном кукурузы."
Росс-Ибарра сказал, что теперь, когда геном кукурузы полностью секвенирован и определены местоположения транспозонов, открывается новая область исследований, выходящая за рамки роли отдельных генов кукурузы — определение роли отдельных транспозонов.