Эволюция генома основана на мутациях, то есть модификациях генетического материала, которые передаются следующим поколениям. Это включает дублирование существующих последовательностей в ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которая несет генетическую информацию. Таким образом, в процессе эволюции могут формироваться более крупные геномы с большим количеством генетической информации. Такие дупликации могут быть вызваны различными механизмами.
Геномы растений часто содержат более короткие последовательности ДНК, которые дублируются тандемным образом. Ученые Ботанического института II KIT выяснили, как возникают эти последовательности. «Как мы знаем, ДНК представляет собой двухцепочечную спираль. Наши результаты показывают, что восстановление одноцепочечных разрывов, происходящих на значительном расстоянии друг от друга в двух противоположных цепях, играет важную роль в создании дубликатов в геномах растений. , — поясняет руководитель института профессор Хольгер Пухта.Изучая модельный организм Arabidopsis thaliana, ученые узнали, что синхронное восстановление двух таких однонитевых разрывов последовательно приводит не только к делециям, но и к тандемным дупликациям более коротких последовательностей рядом с местами разрыва.
Ученые целенаправленно вводили разрывы в одноцепочечные разрывы, расположенные по-разному, в разные области генома, а затем анализировали результаты восстановления путем секвенирования ДНК.Чтобы создать однонитевые разрывы точно в желаемых местах, ученые Карлсруэ использовали новые «молекулярные ножницы» — особую форму системы CRISPR / Cas. «Раньше мы могли работать только с молекулярными ножницами, которые разрезали обе нити одновременно, создавая таким образом двухцепочечный разрыв в ДНК. Благодаря модифицированной системе CRISPR / Cas теперь впервые стало возможным использовать ножницы, которые разрезать только одну нить.
Это позволяет нам подробно исследовать, как восстанавливаются такие повреждения ДНК », — объясняет Пухта.CRISPR / Cas обозначает определенный сегмент ДНК (CRISPR — Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) и фермент (Cas), который распознает этот сегмент и разрезает ДНК именно в этом месте. С помощью этого метода гены можно легко, быстро и точно удалять, вставлять или заменять.
Хольгер Пухта был первым ученым, когда-либо использовавшим молекулярные ножницы для обработки растений. С помощью этих исследований он показал не только то, что ножницы можно использовать в качестве инструментов для целенаправленных модификаций генома, но он также обнаружил, что двухцепочечные разрывы могут привести к серьезным изменениям в геномах растений. В своем новом исследовании, представленном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), исследователи из Ботанического института II KIT теперь также показывают, что наличие множественных однонитевых разрывов в ДНК может вносить модификации в геном.
Такие однонитевые разрывы довольно часто возникают у растений в природе, особенно если они подвергаются воздействию ультрафиолета. «Таким образом, недавно открытый механизм имеет огромное значение для понимания эволюции геномов растений», — говорит Хольгер Пухта.