Gesamtgenomkarte der genetischen Rekombination von Fruchtfliegen | 2020

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Anonim

Zum ersten Mal haben Forscher des Stowers Institute erfasst, wo Rekombinationen im gesamten Genom der Fruchtfliege auftreten Drosophila melanogaster nach einer einzigen Runde Meiose. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass separate Mechanismen die beiden Hauptarten von Rekombinationsereignissen, Überkreuzungen und Nicht-Überkreuzungen, positionieren.

Die Ergebnisse, über die online berichtet wird, erscheinen vorab in der Zeitschrift Genetik geben wichtige Einblicke in das Verständnis der Chromosomen und der Vererbungsmechanismen.

"Es ist für mich erstaunlich, dass wir mehr als 100 Jahre nach der Entdeckung der genetischen Rekombination bei Fliegen erst zu verstehen beginnen, wie sich diese Ereignisse verteilen", sagt R. Scott Hawley, Ph.D., ein Ermittler bei den Stowers Institut und leitender Autor der Studie.

Diese genetische Rekombination findet während einer speziellen Form der Zellteilung statt, die Meiose genannt wird. Während der Meiose kopiert die Zelle alle ihre Chromosomen, paart sie und mischt Abschnitte des genetischen Materials zwischen den Armen der gepaarten oder homologen Chromosomen. Dieses Mischen kann auf zwei Arten erfolgen. Bei Crossover-Ereignissen werden große DNA-Abschnitte ausgetauscht, z. B. wenn zwei Personen Spielkarten tauschen. Bei Nicht-Crossover-Ereignissen werden kleinere DNA-Stücke von einem Arm kopiert und auf einen anderen geklebt, wie die Krone des King of Hearts in der Hand eines Spielers, die plötzlich auf dem King of Spades eines anderen Spielers erscheint.

Sobald das Deck ausreichend gemischt ist, teilt sich die Zelle und teilt sich dann erneut, um vier Zellen zu erzeugen, von denen jede nur eine Kopie des Genoms des Organismus enthält. Durch die Rekombination wird sichergestellt, dass jeder Gamet eine eindeutige Kopie jedes Chromosoms erhält. Wenn der Prozess jedoch schief läuft, kann dies zu Chromosomenanomalien führen. Beispielsweise sind falsch platzierte Überkreuzungen oder das völlige Fehlen von Überkreuzungen auf Chromosom 21 eine Hauptursache für Trisomie 21 oder das Down-Syndrom beim Menschen.

Mit einer Ausnahme wurden alle bisherigen genetischen Untersuchungen zur Rekombination in Drosophila konzentrierten sich entweder auf einen einzelnen Chromosomenarm oder auf Gruppen von Fliegen, die zusammengelegt wurden. In dieser Studie wollten die Stowers-Forscher herausfinden, wie sich sowohl Frequenzweichen als auch Nicht-Frequenzweichen auf alle fünf chromosomalen Hauptarme von Fruchtfliegen verteilen. Überkreuzungen sind relativ leicht zu identifizieren, da sie ganze chromosomale Arme oder Teile von Armen umfassen, die Tausende von Basenpaaren umfassen, die A, C, T und G, die die DNA bilden. Nicht-Crossovers sind jedoch schwieriger zu erkennen, da sie nur einige Hundert dieser Buchstaben betreffen.

Daher musste sich Danny Miller, ein Doktorand am Medical Center der Universität von Kansas, der im Hawley-Labor promoviert, auf die vollständige Genomsequenzierung und neue Computeralgorithmen verlassen, um die Orte beider Arten von Ereignissen zu lokalisieren. Miller, Hauptautor der Studie, sagte, das Projekt habe ihm die Gelegenheit gegeben, sich mit den genetischen Prinzipien auseinanderzusetzen, die der menschlichen Gesundheit und Krankheit zugrunde liegen. "Ich würde gerne als Arzt-Wissenschaftler weiter forschen, wenn ich meinen Abschluss mache", sagt Miller, der sich auf pädiatrische Onkologie oder pädiatrisch-medizinische Genetik spezialisieren möchte. "Ich möchte ein gutes grundlegendes Verständnis der Genetik haben. Einige Leute mögen diese grundlegenden Fragen beschönigen, anstatt sich die Daten anzusehen und zu versuchen, sie zu beantworten."

Allein in dieser Studie hat Miller eine Unmenge von Daten generiert. Erstens paarte er zwei genetisch unterschiedliche Fruchtfliegensorten, von denen bekannt ist, dass sie sich an ungefähr 500.000 verschiedenen Stellen in ihrem genetischen Code unterscheiden. Miller sequenzierte dann das gesamte Genom der resultierenden 196 Nachkommen und schrieb ein benutzerdefiniertes Computerprogramm, das die 160 Millionen Basen jedes Fruchtfliegengenoms nach Hinweisen auf eine Rekombination durchsuchen konnte.

Der Ansatz identifizierte insgesamt 541 Frequenzweichen und 291 Nicht-Frequenzweichen. Im Gegensatz zu Überkreuzungen, die im Allgemeinen über die distalen zwei Drittel der Chromosomenarme verteilt sind, waren die Nicht-Überkreuzungen gleichmäßig auf die fünf Hauptchromosomenarme verteilt. Nicht-Überkreuzungen entstehen an Orten, an denen Überkreuzungen selten auftreten, beispielsweise in der Nähe des knotigen Zentromers, das die Chromosomenarme miteinander verbindet. Und sie tauchten nahe beieinander auf, im Gegensatz zu Frequenzweichen, die auf ein als Interferenz bekanntes Phänomen reagieren, wenn sie versuchen, sich in der Nähe anderer Frequenzweichen zu bilden.

Die Forscher stellten fest, dass die Anzahl der Frequenzweichen nicht nur in Abhängigkeit von ihrer Position entlang des Chromosomenarms, sondern auch von Chromosom zu Chromosom stark schwankte. Zum Beispiel identifizierten sie fünf doppelte Überkreuzungen auf einem Arm von Chromosom 2 - weniger als erwartet.

"Die Entdeckung gibt einer bestimmten Art von Überlieferung, die auf dem Gebiet zirkuliert hat, Glauben - die Idee, dass sich jeder der chromosomalen Arme ein wenig anders verhält -, aber niemand wusste es wirklich genau, weil niemand auf jeden der Arme in geachtet hatte das gleiche Experiment ", sagt Hawley. "Wir haben festgestellt, dass jedes Chromosom seine eigenen Regeln hat, um sicherzustellen, dass es seine Frequenzweichen genau dort bekommt, wo es sie haben möchte."

Neben Überkreuzungen und Nicht-Überkreuzungen stellten die Forscher auch Hinweise auf Duplikationen und Deletionen fest, die durch das Vorhandensein von Transposons verursacht wurden, einer speziellen Klasse genetischer Elemente, die von einem Bereich im Genom zu einem anderen springen können. Diese transponierbaren Elemente stellen ein ernstes Problem für die meiotische Maschinerie dar, da sie die Paarung homologer Chromosomen verzerren können und Duplikationen oder Deletionen von genetischem Material auslösen, die die Lebensfähigkeit eines Organismus beeinträchtigen. Die Studie identifizierte transponierbare Elemente in 1-2 Prozent des Genoms, in Übereinstimmung mit früheren Berichten.