Кроссовер для семьи из 4 человек: ТОП-5 лучших семейных кроссоверов 2019

{«prikey»: null, «blk»: «», «acmd»: «», «req»: [«app_plnk», «app_name»], «unq»: [«app_plnk»], «opt»: [«hplatform», «app_mode»], «override»: {«app_plnk»: «plnk», «hthumb»: «url», «in_beta»: «onoff», «in_stats»: «onoff», «oem_blurb» : «html», «og_image»: «html_image», «img_icon»: «html_image», «img_box»: «html_image», «app_desc»: «html», «install_text»: «html», «about_text»: » html «,» app_exes «:» minp_text «,» medal_android «:» stars «,» medal_mac «:» stars «,» medal_linux «:» stars «,» dl_count «:» number «,» app_timestamp «:» date » , «c4p_creation»: «date», «c4p_edittime»: «date»}}

Подождите…

eyJjb3VudHJ5IjoiUlUiLCJsYW5nIjpudWxsLCJjYXJ0IjowLCJ0enMiOi02LCJjZG4iOiJodHRwczpcL1wvbWVkaWEuY29kZXdlYXZlcnMuY29tXC9wdWJcL2Nyb3Nzb3Zlclwvd2Vic2l0ZSIsImNkbnRzIjoxNjA4MTUxMjM3LCJjc3JmX3Rva2VuIjoiVzRacW1lQUpkc1FaYnRGciIsImdkcHIiOjB9 Frontiers | Где перейти? Определение сайтов кроссовера у растений

Введение

Кроссовер-рекомбинация лежит в центре полового воспроизводства, обеспечивая физические связи между гомологичными хромосомами во время мейоза.У большинства эукариот, размножающихся половым путем, эти связи необходимы для обеспечения правильной сегрегации хромосом во время первого деления мейоза (Moore and Orr-Weaver, 1997; Villeneuve and Hillers, 2001). Для выполнения этого требования необходим только один кроссовер на каждую пару хромосом, и многие виды регулируют число кроссоверов, чтобы не превышать этот нижний функциональный предел (Mercier et al., 2015; Ritz et al., 2017). Фактически, было подсчитано, что среди почти 50 эукариот, принадлежащих к разным царствам, 80% пар хромосом имеют менее 3 кроссоверов (Fernandes et al., 2018б). Как косвенные, так и прямые данные указывают на то, что скорость кроссовера находится под контролем в обоих направлениях (Ritz et al., 2017). Причины, по которым отбор против слишком низкой скорости кроссовера, легко понять: отсутствие кроссовера может привести к нерасхождению хромосом, что может привести к анеуплоидии. Причины сдерживания слишком частой рекомбинации менее интуитивны, поскольку кроссоверы увеличивают генетическое разнообразие внутри популяции за счет разделения гаплотипов. Однако рекомбинация также может нарушить ассоциацию между полезными аллелями одних и тех же гаплотипов, что может привести к снижению приспособленности потомства (Otto and Lenormand, 2002).Фактически, до сих пор нет большого количества эмпирических доказательств того, что рекомбинация выгодна для естественной популяции при отборе (Otto, 2009). Выгоды для конечных популяций, кажется, проявляются в ситуациях, когда отбор меняется во времени и / или пространстве (Otto, 2009). Поскольку эти ситуации не являются постоянными, скорость кроссовера может измениться и удерживаться на низком уровне. Прямые доказательства того, что кроссоверы несут больше de novo мутаций, чем нерекомбинантные молекулы ДНК, недавно были получены для человека (Arbeithuber et al., 2015). У Arabidopsis более высокая частота мутаций была обнаружена в регионах, проксимальных к кроссоверам (Yang et al., 2015). Это указывает на то, что перекрестная репарация более мутагенна, чем другие пути мейотической репарации. Более того, недавние результаты для растений Arabidopsis, где скорость кроссинговера была значительно увеличена за счет комбинирования мутаций разных факторов антикроссовера (Fernandes et al., 2018b) и / или сверхэкспрессии факторов кроссинговера (Serra et al., 2018b), указали на некоторые дефекты плодовитости проявляются уже у первых поколений.Подробное цитологическое исследование показало, что эти дефекты, вероятно, связаны с неправильной репарацией подмножества промежуточных продуктов рекомбинации (Fernandes et al., 2018b). Это потенциально может привести к опасному накоплению мутаций в последующих поколениях. Однако возможно, что неправильно отремонтированные промежуточные соединения не обязательно включают или не ограничиваются кроссоверами, поэтому эти результаты нельзя рассматривать как доказательство перекрестной генотоксичности.

Каковы бы ни были причины ограниченного количества кроссоверов, возникает интересный вопрос: где поставить кроссовер, чтобы получить от него максимум.Исторически считалось, что кроссинговер распределение является равномерным — на самом деле это предположение лежит в основе генетического (рекомбинационного) картирования (Sturtevant, 1913). Но даже в самой первой работе Стертеванта (1913) было высказано предположение, что расстояния на карте являются не просто физическими, а представляют собой некую совместную функцию между длиной и «силой» в определенной области хромосомы. Со временем мы поняли, что предположение о случайном кроссинговере далеко не является точным, хотя полезно для многих генетических подходов.В настоящее время мы знаем, что за хромосомное распределение кроссоверов отвечает большое количество различных факторов. В этом обзоре мы обсуждаем различные уровни контроля перекрестного распределения хромосом с особым акцентом на гетерозиготность ДНК. Системы млекопитающих очень отличаются в этом отношении, в основном из-за присутствия специфической для млекопитающих гистон-метилтрансферазы PRDM9, которая является основным детерминантом паттерна кроссовера у человека и мышей (Baudat et al., 2010; Parvanov et al., 2010).Следовательно, мы специально сосредоточимся на факторах, определяющих место кроссовера у растений, и поддержим эту точку зрения значительным прогрессом в понимании процессов, связанных с рекомбинацией, который был достигнут у почкующихся дрожжей.

Общая информация о кроссовере в растениях

Первым этапом мейотической рекомбинации является образование запрограммированных двухцепочечных разрывов ДНК (DSB), катализируемое консервативным топоизомеразоподобным комплексом SPO11 / TPOVIBL (Keeney et al., 1997; де Масси, 2013; Роберт и др., 2016; Vrielynck et al., 2016). После образования DSBs резецируют для получения одноцепочечной ДНК (ssDNA), которая связана с RecA-родственными рекомбиназами RAD51 и DMC1 (Mercier et al., 2015). В результате образуются нуклеопротеиновые филаменты, которые в дальнейшем вторгаются в сестринскую хроматиду или хроматиду, расположенную на гомологичной хромосоме. В результате образуется петля смещения (D-петля), которая может быть дополнительно обработана с помощью захвата на втором конце для формирования двойного соединения Холлидея (dHJ) между двумя хроматидами (Wang and Copenhaver, 2018).Было принято, что DMC1, мейоз-специфический гомолог белка RecA, ответственен за межгомологическое смещение — повышенную вероятность репарации с использованием гомологичной хроматиды (Schwacha and Kleckner, 1997; Kurzbauer et al., 2012). Разрешение дуплексов, образованных между сестринскими хроматидами, приводит к образованию молекул ДНК, которые неотличимы от своих родительских молекул, поскольку они не отличаются по последовательности ДНК. Ремонт, основанный на несестринских хроматидах, может происходить либо по нескольким различным путям, не являющимся перекрестным, либо перекрестным.В отличие от кроссоверов (COs), где большие фрагменты ДНК взаимно обмениваются между родительскими хромосомами, непересекающиеся (NCO) приводят к конверсии генов без влияния на матрицу. Решение, какой из DSB превратится в кроссовер, а какой будет ремонтироваться некроссоверами, называется обозначением кроссовера.

У большинства эукариот, включая растения, существует два типа перекрестных путей. Основной путь, названный ZMM в честь генов почкующихся дрожжей ZIP1 , ZIP2 , ZIP3 , ZIP4 , MSh5 , MSH5 и MER3 , приводит к 85–90% кроссоверов (называемых кроссоверы класса I) у Arabidopsis, кукурузы и риса (Higgins et al., 2004; Мерсье и др., 2005; Falque et al., 2009; Шен и др., 2012). Этот путь специфичен для мейоза и зависит от образования синаптонемных комплексов (SC) (Lynn et al., 2007). Полагают, что белки ZMM действуют, чтобы стабилизировать промежуточные продукты межгомологической рекомбинации, способствуя разрешению посредством кроссовера (Lynn et al., 2007). Кроссоверы класса I демонстрируют интерференцию, т.е. возникновение кроссовера в одном месте хромосомы значительно снижает вероятность второго кроссовера в соседней области той же хромосомы.Интерференция обнаруживается в масштабе мегабазов у ​​Arabidopsis (Lynn et al., 2007; Mercier et al., 2015). Хотя интерференция оказывает большое влияние на хромосомное распределение кроссоверов, она не будет обсуждаться в данном обзоре, поскольку существует множество статей, посвященных именно этому феномену (Wang et al., 2015; Sun et al., 2017).

Остаточные кроссоверы, отличные от ZMM (CO класса II), не зависят от помех. Наиболее известным игроком на СО класса II является MUS81, эндонуклеаза, способная обрабатывать совместные молекулы (например,г., D-петли). Нулевая мутация MUS81 снижает рекомбинацию на 10% у растений Arabidopsis дикого типа и устраняет ca. 1/3 остаточных CO в мутантах zmm (Berchowitz et al., 2007; Higgins et al., 2008a; Macaisne et al., 2011). Это говорит о том, что кроссоверы класса II являются результатом нескольких различных, частично повторяющихся путей. В отличие от пути ZMM, другие пути обычно способствуют разделению промежуточных продуктов рекомбинации посредством неперекрестных переходов.

Влияние DSB на распределение кроссоверов

Распределение DSB можно рассматривать как первый уровень определения перекрестных сайтов.Очевидно, что кроссовер может происходить только в сайте DSB, следовательно, блокирование DSB в одном месте хромосомы автоматически исключает этот регион из пула потенциальных сайтов рекомбинации. Однако у большинства организмов, включая растения, количество DSB значительно превышает количество кроссоверов (Mercier et al., 2015). Например, в Arabidopsis thaliana насчитывается около 150–300 DSB, дающих только около 10 кроссоверов (Chelysheva et al., 2010; Kurzbauer et al., 2012; Choi et al., 2013).Точно так же у кукурузы около 500 DSB приводят к образованию примерно 20 кроссоверов (Anderson et al., 2003; Pawlowski et al., 2003; Sidhu et al., 2015). Как следствие, перекресток выбирается из широкого диапазона потенциальных мест. Несмотря на то, что распределение CO в значительной степени связано с высокими уровнями DSB у Arabidopsis, по крайней мере, в масштабе всего генома (Choi et al., 2018). Подобная корреляция не была обнаружена для кукурузы, что могло быть связано с очень другой, богатой гетерохроматином архитектурой генома первого вида (He et al., 2017).

Горячие точки инициации рекомбинации в контексте структуры хроматина

У многих эукариот DSB встречаются в дискретных, неслучайно распределенных областях, называемых горячими точками DSB. Их распределение на этом уровне строго зависит от структуры хроматина, т.к. мейотические хромосомы имеют специфическую архитектуру, определяемую петлями хроматина, выступающими из белковой оси (Blat et al., 2002; Borde and de Massy, ​​2013). Горячие точки преимущественно располагаются внутри областей петель, однако аппарат, ответственный за образование DSB, комплекс RMM (для почкующихся дрожжевых белков REC114, MEI4, MER2) физически расположен внутри оси (Borde and de Massy, ​​2013).Интересно, что наблюдается сильная антикорреляция между регионами, непосредственно взаимодействующими с осью и с горячей точкой, что указывает на репрессивную активность некоторых компонентов оси. Кроме того, области горячих точек DSB часто перекрываются с 5′-концами дрожжевых генов, указывая тем самым, что состояния открытого хроматина играют роль в определении горячих точек внутри петель хроматина (Pan et al., 2011).

Триметилирование гистона 3 по лизину 4 (h4K4me3; в меньшей степени также диметилирование h4K4me2) было обнаружено как важный детерминант локализации DSB у многих эукариот и широко исследовано на почкующихся дрожжах (Acquaviva et al., 2013; Sommermeyer et al., 2013). Эта гистоновая метка, которая обычно расположена на 5′-концах генов, также связана с высокими уровнями экспрессии (Santos-Rosa et al., 2002). h4K4me3 считается не инструктивным для экспрессии генов, а скорее его следствием, которое также может иметь функцию в эпигенетической памяти (Howe et al., 2017). Напротив, метилирование h4K4, по-видимому, очень важно для обозначения сайтов DSB у почкующихся дрожжей. Во-первых, было замечено, что в отсутствие h4K4me3 количество мейотических DSB значительно снижается (Borde et al., 2009). Borde et al. (2009) также обнаружили, что повышенные уровни h4K4me3 около DSB не зависят от локальных уровней транскрипции, репликации и, что более важно, образования DSB. Дальнейшая работа привела к предложению модели, в которой белок SPP1 домена пальца PHD распознает h4K4me2 / 3 и привязывает соответствующий участок петли хроматина к оси хромосомы путем взаимодействия с MER2 и другими факторами (Borde et al., 2009; Acquaviva et al. , 2013; Sommermeyer et al., 2013). Более поздний отчет указывает на то, что белок SPP1 принимает на себя несколько ролей в этом процессе, включая мейоз-специфическую гистон-метилтрансферазу, предназначенную для обозначения DSB (Adam et al., 2018). Существуют ли подобные механизмы у растений, остается неизвестным.

У растений первые анализы сайтов DSB были выполнены косвенно путем изучения паттерна CO и NCO в двух горячих точках рекомбинации у A. thaliana (Drouaud et al., 2013). Однако авторы заметили, что участки NCO были относительно короткими и из-за ограниченного полиморфизма большая часть событий NCO не могла быть обнаружена. Совсем недавно распределение DSB было исследовано в масштабе всего генома кукурузы с использованием RAD51-ChIP (He et al., 2017) и Arabidopsis с использованием картирования SPO11-oligos (Choi et al., 2018). Первый метод использует антитела для специфической преципитации фрагментов ДНК, связанных с RAD51 — белком, который вместе с DMC1 связывается с оцДНК, образованной в сайте DSB. Картирование SPO11-oligos использует преимущество того факта, что белок SPO11 ковалентно связывает короткий фрагмент оцДНК в процессе образования DSB; после выделения SPO11 из мейоцитов олигонуклеотиды ДНК могут быть извлечены и секвенированы для точной идентификации сайтов DSB.Оба анализа показали относительно низкую корреляцию между DSB и h4K4me3 на уровне хромосом и горячих точек, что согласуется с данными, полученными от почкующихся дрожжей и мыши (Lange et al., 2016; Yamada et al., 2017a). Однако корреляция между CO и h4K4me3 была обнаружена у обоих видов (Choi et al., 2013; Shilo et al., 2015; He et al., 2017), что позволяет предположить, что эта хроматиновая метка может играть одинаковую роль в привязке петли к оси хромосомы. как сообщалось у дрожжей и млекопитающих (Borde et al., 2009; Acquaviva et al., 2013; Sommermeyer et al., 2013; Adam et al., 2018). С другой стороны, h4K4me3 является универсальной меткой хроматина, связанной с открытой структурой хроматина, особенно с сайтами начала транскрипции, поэтому его расположение рядом с сайтами CO может быть чисто случайным.

Горячие точки DSB растений, по оценкам, имеют средний размер 1,2 т.п.н. (кукуруза) и 0,8 т.п.н. (арабидопсис) и демонстрируют наиболее очевидную ассоциацию с открытой структурой хроматина, определяемой как участки хромосом, обедненные нуклеосомами (He et al., 2017; Choi et al., 2018). Это указывает на то, что SPO11 действует оппортунистическим образом, будучи способным разрезать различные последовательности, пока у него есть доступ к ДНК. Это похоже на ситуацию у почкующихся дрожжей (Pan et al., 2011), но сильно отличается от ситуации у многих млекопитающих, у которых горячие точки DSB в основном определяются мейоз-специфической гистон-метилтрансферазой PRDM9 (Baudat et al., 2010; Lam and Keeney, 2015a). . Между горячими точками DSB и метилированием ДНК наблюдалась четкая отрицательная корреляция, которая также визуализировалась на картировании фонового DSB met1 , при котором большая часть метилирования ДНК контекста CG удалена (Choi et al., 2018). В этом случае повышение уровней DSB четко отражало снижение метилирования ДНК, сопровождающееся уменьшением занятости нуклеосом и небольшим увеличением h4K4me3 в перицентромерных областях. В мелком масштабе эти изменения в сайтах инициации рекомбинации особенно очевидны для некоторых классов мобильных элементов (Gypsy LTRs и EnSpm / CACTA), но не для всех (LINE и SINE), что явно отражает изменение паттерна метилирования CG в этих элементах (Choi и др., 2018). Кроме того, увеличение DSB также наблюдалось у тройного мутанта kyp suvh5 suvh6 , у которого метилирование CHG и CHH, а также h4K9me2 сильно ослаблено (Underwood et al., 2018). Здесь изменения были в основном связаны с повышением уровней DSB в центромерных повторах, таких как CEN180 . С другой стороны, метилирование ДНК обычно связано с гетерохроматином и закрытой структурой хроматина (Zhang, 2008). Следовательно, трудно сделать вывод, является ли ингибирование образования DSB в метилированных областях прямым (например, из-за физических препятствий во время разрешения dHJ) или косвенным (например, вторичные эффекты на структуру хроматина) следствием метилирования ДНК.

Число DSB имеет тенденцию к умеренному уменьшению в большинстве повторяющихся последовательностей, таких как сегментарные дупликации и повторяющиеся транспозоны, однако в подмножестве транспозонов (элементы Stowaway в картофеле и транспозоны ДНК Helitron, Pogo / Tc1 / Mariner в A. thaliana ). обогащены областями генома, охватывающими кроссоверы (Marand et al., 2017; Choi et al., 2018). Повышенное количество SPO11-олигонуклеотидов в повторяющихся транспозонах ДНК Helitron, Pogo / Tc1 / Mariner наблюдалось при соседстве с генами иммунитета, что может способствовать усилению благоприятной рекомбинации в этих областях (Choi et al., 2018).

По сравнению с растениями, другие эукариоты имеют более выраженные горячие точки DSB. У млекопитающих это происходит из-за строгого PRDM9-зависимого формирования паттерна DSB (Baudat et al., 2010; Parvanov et al., 2010). С другой стороны, у почкующихся дрожжей ярко выраженные пики DSB могут быть вызваны чрезвычайно компактным геномом: с одной стороны, это способствует значительно меньшему количеству связанных с генами областей, истощенных по нуклеосомам (NDR), с которыми SPO11 имеет тенденцию условно связываться и с с другой стороны, это приводит к относительно высокому давлению кроссовера (de Massy, ​​2013).Как уже упоминалось, у растений горячие точки SPO11 часто обнаруживаются также в NDR на 3′-концах генов, а также в интронах (Choi et al., 2018). Это значительно увеличивает количество потенциальных мишеней SPO11 в геномах растений, что может привести к более однородному ландшафту рекомбинации.

Факторы транскрипции (TF)

У большинства эукариот, включая растения, горячие точки DSB не коррелируют с транскрипцией, это означает, что гены, высоко экспрессируемые в мейозе, не показывают более высоких уровней DSB (Tischfield and Keeney, 2012; He et al., 2017; Choi et al., 2018; см. однако Yamada et al., 2017b). Однако в некоторых случаях активность горячей точки DSB была связана со связыванием последовательностей факторов транскрипции. Например, об этом сообщалось в локусе HIS4 у почкующихся дрожжей и в аллеле ade-M26 у делящихся дрожжей (White et al., 1991; Kon et al., 1997; Steiner et al., 2002). Было обнаружено, что у делящихся дрожжей гетеродимерный фактор транскрипции основной лейциновой молнии ATF1-PCR1 распознает специфичные для горячих точек мотивы ДНК M26 , что приводит к привлечению DSB-механизма (Kon et al., 1997; Steiner et al., 2002). В более позднем анализе на уровне генома мейотического ландшафта DSB в Schizosaccharomyces pombe положительный эффект активности горячей точки был обнаружен менее чем для четверти локусов, содержащих мотив, что свидетельствует о том, что другие факторы способствуют развитию горячей точки инициации рекомбинации ( Fowler et al., 2014). Во многих из этих локусов DSB, по-видимому, симметрично расположены вокруг сайтов связывания TF. Интересно, что около половины идентифицированных горячих точек M26 показали повышенные уровни DSB на одной стороне мотива, в то время как другая сторона показала сильную транскрипцию.Механизм, с помощью которого ATF1-PCR1 влияет на образование DSB, остается неясным (Fowler et al., 2014). Таким образом, исследование показало, что связывания только ATF1-PCR1 недостаточно для достижения высоких уровней образования DSB поблизости.

Хотя то, как TF влияют на рекомбинацию, неоднозначно (Fowler et al., 2014; Zhu and Keeney, 2015), в некоторых случаях ( HIS4 и PHO5 у почкующихся дрожжей) эффект TF достигается за счет изменения ДНК. доступность в горячих точках (Wu and Lichten, 1995).Следовательно, было высказано предположение, что индуцированные транскрипционным фактором модификации хроматина лежат в основе активации точек останова рекомбинации (Hirota et al., 2008; Wahls and Davidson, 2010). Активирующие модификации хроматина, вероятно, принадлежат к разным типам, однако формирование обедненных нуклеосомами участков вместе с ацетилированием и метилированием гистонов в определенных положениях считается наиболее универсальным (Hirota et al., 2008; Getun et al., 2017) .

Интересным наблюдением является образование гетеродимера ATF-PCR1 в ответ на осмотический стресс, который, в свою очередь, запускает мейоз у делящихся дрожжей.В зарождающихся дрожжах активация горячей точки HIS4 DSB требует связывания факторов транскрипции RAP1, BAS1 и BAS2 (White et al., 1993), и более поздние исследования показали, что ряд других горячих точек DSB зависит от этих факторов (Mieczkowski et al. др., 2006; Чжу, Кини, 2015). Экспрессия этих TF строго связана с голоданием клеток, которое также вызывает мейоз. Т.о., факторы транскрипции, участвующие в подготовке к стрессовой реакции у делящихся и почкующихся дрожжей, по-видимому, повторно используются для образования горячих точек DSB, что приводит к увеличению скорости рекомбинации.Это совпадение могло быть полезным с эволюционной точки зрения. Существуют ли аналогичные механизмы у других организмов, остается неизвестным, и нет четких примеров того, что горячие точки DSB могут регулироваться с помощью TF у высших эукариот. Однако наличие подобных модификаторов, связанных с TF, которые могли бы условно активировать определенные горячие точки рекомбинации, является захватывающей возможностью, особенно для растений, которые показывают локализованные в генах горячие точки рекомбинации. Например, можно легко представить себе потенциальные преимущества воздействия на мейотическую рекомбинацию близлежащих генов, ответственных за устойчивость к патогену в условиях биотического стресса.Действительно, некоторые R-гены демонстрируют повышенную частоту рекомбинации, что подтверждено как историческими (основанными на коалесцентном анализе) (Choi et al., 2013), так и экспериментальными данными (Choi et al., 2016; Serra et al., 2018a). .

Интересно, что наиболее важный фактор, который определяет расположение горячих точек рекомбинации у многих млекопитающих, PRDM9, возник из семейства TFs, специфичного для многоклеточных животных (Vervoort et al., 2016). В этом случае, однако, факторы транскрипции PRDM участвуют в большом количестве функций во время развития животных, но не в ответе на стресс, что свидетельствует о случайном захвате новой биологической функции TF.PRDM9 обладает набором цинковых пальцев, с помощью которых он распознает специфические мотивы ДНК и включает классические метки h4K4me3 и h5K36me3, определяющие горячие точки рекомбинации (Baker et al., 2015). В настоящее время неизвестно, почему модификации PRDM9 оказывают более сильное влияние на определение сайтов DSB, чем расположенные в промоторе метки h4K4me3, которые образованы другими комплексами метилтрансфераз (Brick et al., 2012), однако недавние данные показывают, что концентрация меток может играть роль роль (Diagouraga et al., 2018).

Локальный базовый состав и мотивы ДНК

Состав локальных оснований, особенно богатых GC участков, оказался важным фактором, контролирующим распространение горячих точек инициации рекомбинации у многих организмов, от дрожжей до млекопитающих и растений (Blat and Kleckner, 1999; Gerton et al., 2000; Майерс и др., 2008; Смедс и др., 2016; He et al., 2017). Было предложено несколько объяснений этого феномена, включая более высокую восприимчивость к аппарату рекомбинации в GC-обогащенных регионах (Petes, 2001) и смещенную репарацию несовпадений в рекомбинирующих регионах в сторону G / C пар (Birdsell, 2002). Недавняя работа с почкующимися дрожжами показывает, что включение GC-богатой последовательности в горячую точку URA3 значительно повышает скорость мейотической и митотической рекомбинации (Kiktev et al., 2018).Это говорит о том, что по крайней мере в этом случае первая гипотеза верна. Эта взаимосвязь может быть следствием зависимости образования DSB от структуры хроматина, особенно расположения нуклеосом и специфических модификаций гистонов, включая h4K4me3, который важен для прикрепления петель хроматина к оси хромосомы.

Высокое содержание GC было обнаружено также в очагах распространения кукурузы DSB (He et al., 2017). Однако о подобной взаимосвязи не сообщалось для Arabidopsis (Choi et al., 2018; Underwood et al., 2018). Это удивительно в контексте сходства между горячими точками рекомбинации дрожжей и растений, поскольку в обоих случаях обедненные нуклеосомами области и открытые структуры хроматина упоминаются как наиболее характерные черты (Choi and Henderson, 2015). Однако следует учитывать существенные различия в структуре генома Arabidopsis и кукурузы: в то время как первый очень маленький и компактный (0,12 Гб), лишен мобильных элементов (TE) и богат генами (в среднем один ген на 4,5 т.п. ) (The Arabidopsis Genome Initiative, 2000), другой — чрезвычайно большой (2.3 Gb), TE-богатые, с организацией островков генов (отдельные гены, разделенные очень длинными участками некодирующих повторяющихся последовательностей) (Rodgers-Melnick et al., 2016). Поскольку многие последовательности TE относительно AT-богаты, что обычно рассматривается как способ избежать молчания с помощью РНК-зависимого метилирования ДНК, с эволюционной точки зрения может быть выгодно выделить горячую точку в GC-богатых областях, которые чаще принадлежат генам. . С этой точки зрения было бы интересно проверить паттерн метилирования горячих точек инициации рекомбинации кукурузы.

Более глубокое понимание ландшафта рекомбинации кукурузы показывает, что на самом деле высокое содержание GC в горячих точках DSB соответствует мотиву последовательности длиной 20 п.н. (He et al., 2017). Мотив присутствует более чем в 70% генных горячих точек, однако не может быть обнаружен в повторяющихся горячих точках ДНК. В той же работе авторы также описали связанный с кроссовером мотив, который похож на мотив DSB, однако содержит избыточное представительство «C» над «G» (He et al., 2017). Сходные мотивы, богатые С, были описаны у Arabidopsis как ассоциированные с кроссовером (Choi et al., 2013; Wijnker et al., 2013; Shilo et al., 2015), хотя DSB-ассоциированные мотивы, по-видимому, довольно богаты AT (Choi et al., 2018). Все эти находки предполагают, что это не содержание GC per se , которое отвечает за образование более высокого DSB или образование кроссовера, а вместо этого эффект связан со специфическими мотивами последовательности, которые, вероятно, распознаются аппаратом рекомбинации. Кроме того, поскольку известно, что богатые AT области исключают нуклеосомы, предполагается, что эти последовательности связаны с более открытой структурой хроматина, влияющей на доступность SPO11 и приводящей к повышенным уровням DSB (Choi et al., 2018).

Влияние регулирующих схем на распределение DSB

Помимо ландшафта хроматина, который можно рассматривать как относительно стабильную детерминанту паттерна DSB, ряд регуляторных механизмов активно влияет на распределение горячих точек DSB от клетки к клетке. Киназы реакции на повреждение ДНК TEL1 ^ATM и MEC1 ^ATR играют решающую роль в этой регуляции. Эти белки также ответственны за интерференцию DSB (Xu and Kleckner, 1995; Lange et al., 2011; Лукашевич и др., 2018). Подобно перекрестной интерференции, DSB-интерференция снижает вероятность образования DSB рядом с уже сформированным DSB на хромосоме (Garcia et al., 2015). Этот феномен был подробно исследован на почкующихся дрожжах, и он, по-видимому, действует только на коротких расстояниях, обычно ниже 100 kb, и контролируется в основном TEL1 ^ATM (Robine et al., 2007) (Figure 1). Считается, что интерференция DSB важна для предотвращения образования нескольких DSB в одной петле хроматина, что может быть опасно для стабильности генома (т.е.е., может вызывать хромосомные перестройки). Интересным последствием помех DSB является конкуренция в точках доступа. Создание искусственной горячей точки DSB приводит к снижению активности окружающих горячих точек, и противоположное может наблюдаться, когда горячая точка удаляется (Wu and Lichten, 1995; Pineda-Krch and Redfield, 2005; Robine et al., 2007; Acquaviva et al. др., 2013; Купер и др., 2016).

Рисунок 1. Модель формирования и контроля DSB. Возможные горячие точки расположены внутри петель хроматина (серый цвет), выступающих из оси хромосомы (синий цвет).Активация горячей точки (звезды) требует привязки петли к оси, на которой откладываются белковые комплексы, содержащие SPO11. Как только горячая точка активируется, она связывается с другими потенциальными горячими точками, расположенными на той же хроматиде (в цис ) или на ее сестринской хроматиде (в транс ), вызывая их ингибирование (красные пунктирные линии). Этот процесс положительной интерференции DSB зависит от путей передачи сигналов киназ ATM (TEL1) и ATR (MEC1) и действует на расстояниях 30–100 kb у почкующихся дрожжей.Кроме того, другая форма интерференции подавляет образование DSB в потенциальных горячих точках, расположенных в соответствующих областях на гомологичной хромосоме.

Кроме того, у дрожжей была обнаружена другая форма DSB-интерференции, действующая в trans — между сестринскими хроматидами или между гомологичными хромосомами (Xu and Kleckner, 1995; Rocco and Nicolas, 1996; Zhang et al., 2012) (рис. 1). Этот механизм контролируется TEL1 ^ATM и его партнером MEC1 ^ATR , и может действовать, чтобы уменьшить вероятность того, что два DSB возникают параллельно в соответствующих хромосомных областях на обеих хромосомах, что может привести к трудному для восстановления сложному событию двойной рекомбинации ( Купер и др., 2016). Недавняя работа показывает, что MEC1 ^ATR менее чувствителен к числам DSB, чем TEL1 ^ATM , поэтому он активируется позже во время прогрессии профазы I (Joshi et al., 2015). Ранние DSB лишены смещения гомологов, однако с прогрессированием мейоза последующие MEC1 ^ATR -зависимые DSB с большей вероятностью будут приводить к интергомологическим COs (Joshi et al., 2015). В настоящее время неясно, существуют ли те же механизмы у растений, однако, поскольку киназы реакции на повреждение ДНК законсервированы среди всех эукариот, это кажется весьма вероятным.У Arabidopsis нуль-мутанты гомологов TEL1 ^ATM и MEC1 ^ATR , ATM (мутированная при атаксии телеангиэктазии) и ATR (связанные с ATM и RAD3) демонстрируют значительно сниженную фертильность, а их двойной мутант демонстрирует обширную фрагментацию хромосом в мейозе, что приводит к полной стерильности (Garcia et al., 2003; Culligan, Britt, 2008). Это указывает на то, что эти белки играют важную роль в репарации мейотических DSB, помимо их функций в репарации соматических DSB (Garcia et al., 2003; Каллиган и Бритт, 2008 г.).

Помимо передачи сигналов ATM / ATR, существуют также дополнительные пути, которые участвуют в формировании DSB. Напр., Продолжающееся образование DSB на несинапсированных хромосомах наблюдалось у самцов мышей с пониженной дозировкой SPO11 (Kauppi et al., 2013). Это указывает на то, что взаимодействие гомологов препятствует образованию DSB. Имеются сообщения, предполагающие, что аналогичный механизм может существовать также у нематод и включает мейотический когезиновый компонент REC8 (Hayashi et al., 2007). В более подробном исследовании модели дрожжей было обнаружено, что этот феномен является ZMM-зависимым, причем ZIP3 участвует в ингибировании DSBs после взаимодействия с гомологами (Thacker et al., 2014). Следовательно, хотя на данный момент неясно, действует ли один и тот же механизм у разных видов, весьма вероятно, что участие гомологов является дополнительным уровнем контроля DSB, сохраненным у эукариот.

Эволюция шаблона сайта инициации рекомбинации

В течение долгого времени теоретические исследования эволюции горячих точек DSB закрепляли точку зрения, предсказывающую быструю эрозию последовательности горячих точек, ведущую к ее быстрому исчезновению (Boulton et al., 1997; Калабрезе, 2007; Куп и Майерс, 2007; Latrille et al., 2017). Эта гипотеза «парадокса горячих точек» была основана на предположении, что смещенная конверсия гена происходит в «горячей точке», в которой сломанная хромосома копирует последовательность ДНК из неразрезанного гомолога. Как следствие, рекомбинационно активный аллель заменяется его менее активным гомологом, что приводит к его чрезмерной представленности в потомстве. Даже у видов, у которых конверсионные тракты очень короткие и не могут существенно повлиять на частоту аллелей (например,g., в Arabidopsis, Drouaud et al., 2013; Wijnker et al., 2013; Li et al., 2015) активный аллель горячей точки может быть быстро удален из популяции просто путем накопления точечных мутаций. Это связано с тем, что механизм рекомбинации, по-видимому, оказывает мутационный эффект, по крайней мере, когда исследуется кроссоверная рекомбинация (Lercher and Hurst, 2002; Arbeithuber et al., 2015; Yang et al., 2015). Следовательно, мутации, которые уменьшают или устраняют активность горячих точек, будут фиксироваться в популяции, тогда как мутации, активирующие горячие точки, будут удалены.

Мейотический драйв от предвзятого преобразования был зарегистрирован у человека (Jeffreys and Neumann, 2002), у которого SPO11 нацелен на горячие точки с помощью белка PRDM9. PRDM9 нацеливает SPO11 на сайты без дополнительных биологических функций, которые, следовательно, освобождаются от эволюционных ограничений, отличных от тех, которые связаны с рекомбинацией. Следовательно, мотивы узнавания PRDM9 могут быть подвержены мейотическому стимулу из-за предвзятого преобразования генов, что приводит к их быстрому удалению из популяции (Baker et al., 2015) (Рисунок 2А). Поскольку мотивы распознавания PRDM9 постоянно исчезают из популяции, новая версия PRDM9 должна развивать новую комбинацию цинковых пальцев для распознавания новых мотивов. По этой причине PRDM9 принадлежит к наиболее быстро эволюционирующим генам (Ponting, 2011). Это явление наблюдается у многих видов, содержащих определяемые PRDM9 горячие точки инициации рекомбинации (Myers et al., 2010; Tiemann-Boege et al., 2017).

Рис. 2. Модели эволюции горячих точек инициирования рекомбинации. (A) Частое образование DSB в сильной «горячей точке» аллеля (желтые квадраты) приводит к повышенной конверсии и быстрому удалению аллеля из популяции (черный символ «X»). Этот сценарий возможен, когда горячая точка не имеет дополнительных функций при отборе, например, в геноме человека. Модели (B, C) иллюстрируют расположенные в промоторе горячие точки; гены обозначены синими и красными полустрелками. (B) Частое образование DSB в аллеле «горячей точки» (желтые квадраты) приводит к его преобразованию в другой аллель (серые квадраты), однако селективное ограничение его влияния на функцию промотора позволяет поддерживать его в популяции.Селективное ограничение приводит к тому, что определенные аллели горячих точек поддерживают сопоставимую активность DSB. Эта модель, скорее всего, применима к дрожжам. (C) Частые события DSB в аллеле «горячей точки» (желтый) приводят к увеличению частоты мутаций, приводящей к его эрозии (розовые стрелки), однако избирательное ограничение его воздействия на регуляторные элементы позволяет поддерживать различные исходные аллели в популяции. Модели (B, C) не являются взаимоисключающими и могут сосуществовать в Arabidopsis.

Однако у растений отсутствует белок PRDM9 или аналогичная система. Расположение горячих точек растений больше напоминает таковое у дрожжей, с горячими точками инициации рекомбинации, расположенными в основном в обедненных нуклеосомами областях промоторов (Рис. 2). Недавняя работа с почкующимися дрожжами исследовала расположение горячих точек DSB между несколькими разными штаммами, и сравнение показало, что горячие точки дрожжей удивительно стабильны (Lam and Keeney, 2015b). Более того, когда сравнивали горячие точки, горячие точки дрожжей из разных штаммов оказались более похожими, чем человеческие горячие точки между мужчинами с одинаковыми аллелями PRDM9, несмотря на гораздо большее разнообразие последовательностей (Pratto et al., 2014; Лам и Кини, 2015b). Точно так же у видов позвоночных, лишенных белка PRDM9, например, птиц, горячие точки кроссовера, по-видимому, высококонсервативны, и вполне вероятно, что то же самое верно и для горячих точек инициации рекомбинации (Singhal et al., 2015). Возможным объяснением высокой консервативности горячих точек у дрожжей может быть избирательное ограничение дополнительных функций лежащих в основе последовательностей, которые обычно связаны с их местоположением промоторов (Nicolas et al., 1989; Pan et al., 2011; Lam and Keeney, 2015b ) (Рисунок 2B).Аналогичное объяснение было предложено для эволюции горячих точек рекомбинации птиц (Singhal et al., 2015). Чтобы ответить на вопрос, существует ли аналогичная, непарадоксальная стабильность ландшафта DSB также у растений, потребуются дальнейшие исследования, которые теперь возможны благодаря недавно разработанным подходам DSB-картирования в системах растений (He et al., 2017; Choi et al., 2018 ). Однако частое расположение горячих точек инициации рекомбинации в промоторах генов у растений предполагает аналогичные ситуации, включая также элиминацию мутировавших аллелей (Рисунки 2B, C).В этом контексте было бы интересно сравнить расположенные в промоторе горячие точки с теми, которые расположены в межгенных регионах или мобильных элементах: согласно предлагаемому сценарию, они должны развиваться намного быстрее / должны иметь более короткое время жизни, чем расположенные в промоторе горячие точки.

сайтов инициации рекомбинации на хромосомной шкале

Хотя методы, обеспечивающие точное картирование сайтов инициации рекомбинации на основе последовательностей, были разработаны только недавно, идентификация этих событий по хромосомной шкале долгое время была возможна на основе наблюдения за рекомбинационными узелками (RN) (обзор в Anderson and Stack , 2005).Исследования этих структур на растениях привели к идентификации двух типов RN: ранних (EN), которые связаны с SC из лептотены в пахитены, и поздних (LN), наблюдаемых из пахитены в диплотены. Количество RNs снижается в ходе мейоза, поэтому ENs, как полагают, соответствуют некоторым стадиям репарации DSB, тогда как LNs д. Представлять те события рекомбинации, которые репарируются посредством перекрестных путей (Zickler and Kleckner, 1998). EN случайным образом распределены по хромосомам в зиготене и не проявляют интерференции, за исключением очень коротких расстояний (у кукурузы ≤ 0.2 мкм) (Stack and Anderson, 2002). Тем не менее, ENs, как правило, чаще встречаются в дистальных эухроматических регионах бивалентов, чем в проксимальных, гетерохроматических сегментах, и самая высокая концентрация ENs возникает в синаптических разветвлениях, что указывает на их роль в гомологичных синапсах (Stack and Anderson, 2002).

Более специфические особенности сайтов инициации рекомбинации стали очевидны с появлением методов высокого разрешения. В масштабе хромосом DSB демонстрируют удивительно однородный паттерн распределения, который имеет сильную отрицательную корреляцию с занятостью нуклеосом у Arabidopsis (Spearman ρ = -0.7 или -0,95 для плеч хромосом и перицентромер соответственно) (Choi et al., 2018). Единственными регионами, которые демонстрируют резкое подавление инициации рекомбинации, являются перицентромеры, что также отражает эффект занятости нуклеосом, поскольку у Arabidopsis гетерохроматин ограничен почти исключительно этими частями генома (Arabidopsis Genome Initiative, 2000; Simon et al., 2015 ). Все другие протестированные корреляции оказываются вторичными или производными от расположения нуклеосом, особенно при сравнении между плечами хромосом и перицентромерами.Напр., H4K4me3 положительно коррелировал с SPO11-олигонуклеотидами в перицентромерных регионах, но отрицательно — в плечах хромосом (Spearman ρ = 0,85 или — 0,82, соответственно) (Choi et al., 2018). Аналогичные наблюдения были сделаны на кукурузе по оценке RAD51 ChIP-seq с той разницей, что DSB были многочисленны также в перицентромерных областях (He et al., 2017). Геном кукурузы, однако, характеризуется гораздо большим количеством TE-богатых гетерохроматических областей, которые демонстрируют высокие уровни метилирования ДНК и более равномерно распределяются по хромосомам, причем большинство генов (~ 85%) расположены в пределах 1 т.п.н. от транспозонов (Schnable et al. ., 2009; Роджерс-Мельник и др., 2016). Другие причины различий между образцами сайтов инициации рекомбинации арабидопсиса и кукурузы могут быть связаны с применяемыми техническими проблемами.

CO Гомеостаз

Интересным явлением, которое связывает сайты инициации рекомбинации (DSB) с контролем кроссовера, является гомеостаз CO. Этот регуляторный путь, который наблюдался у почкующихся дрожжей, Caenorhabditis elegans и мышей, не вызывает изменений в количестве CO, даже когда индуцируется значительное изменение количества DSB (Martini et al., 2006; Росу и др., 2011; Cole et al., 2012; Yokoo et al., 2012). Недавние эксперименты показали ограничение гомеостаза CO у кукурузы: контроль CO был устойчивым, пока обеспечивался один кроссовер на пару хромосом, но выше этого порога количество CO линейно коррелировало с количеством DSB (Sidhu et al., 2015) . У мутанта Arabidopsis fas1 , у которого наблюдается значительное увеличение количества DSB, не сообщалось об изменении CO (Varas et al., 2015). Однако у гипоморфного A.thaliana spo11 , уменьшение количества DSB привело к пропорциональному, хотя и меньшему, снижению CO (Xue et al., 2018). Эти два результата не обязательно исключают друг друга, поскольку возможно, что, как и в случае с кукурузой, у арабидопсиса и других растений гомеостаз CO надежно работает только в некоторых диапазонах. Интересно, что резкое изменение распределения CO наблюдалось у гипоморфных мутантов spo11 со значительным снижением рекомбинации в перицентромерах (Xue et al., 2018).

Факторы, влияющие на пространственное распределение кроссовера

Meiotic DSBs м. Репарироваться с помощью нескольких разных механизмов (см. Введение), и только меньшая часть из них становится кроссоверами (Mercier et al., 2015). Решение о том, следует ли ремонтировать поломку как кроссовер или не кроссовер, принимается на основе ряда факторов, которые в значительной степени неизвестны. Некоторые факторы, влияющие на это решение, такие как модификация под воздействием стресса, были подробно рассмотрены в недавних работах (Modliszewski and Copenhaver, 2017; Morgan et al., 2017), поэтому эта тема не обсуждается. Однако следует подчеркнуть, что между распределением сайтов инициации рекомбинации (распределением DSB) и распределением кроссовера наблюдаются значительные различия.

У растений репарация NCO приводит к минимальному обмену генетической информацией между родительскими геномами, потому что пути преобразования очень короткие и часто не обнаруживаются (Lu et al., 2012; Sun et al., 2012; Drouaud et al., 2013; Wijnker и др., 2013). Следовательно, CO остается основной причиной перестановки генетического материала, важной для вариаций в естественных популяциях растений.

Уровень хромосомы

Как и у других эукариот, образование кроссовера у растений сильно смещено в сторону эухроматических областей, в отличие от ингибирования CO на гетерохроматине (Copenhaver et al., 1999; Giraut et al., 2011; Salomé et al., 2011; Mayer et al., 2011; Mayer et al. al., 2012; Tomato Genome Consortium, 2012; Yelina et al., 2012; Rodgers-Melnick et al., 2016; He et al., 2017). Подавление кроссовера вблизи центромер важно для фертильности, поскольку события рекомбинации в этих сайтах были связаны с ошибками сегрегации хромосом и анеуплоидией (Rockmill et al., 2006; Стюарт и др., 2008). Геномы растений демонстрируют сильную корреляцию между плотностью генов и распределением генетических кроссоверов (Erayman et al., 2004; Choi et al., 2013; Wijnker et al., 2013; Rodgers-Melnick et al., 2015). Такой факт особенно верно для видов с большим геномом, таких как злаки, у которых события кроссовера резко смещены в сторону дистальных эухроматических, богатых генами областей хромосом. Например, анализы ячменя (Künzel et al., 2000; Mayer et al., 2012; Phillips et al., 2013), кукурузы (Anderson et al., 2003; He et al., 2017) и пшеницы (Saintenac et al., 2009; Darrier et al., 2017) демонстрируют повышение количества CO и плотности генов в субтеломерах, и, в то же время, наблюдается снижение количества событий рекомбинации и ген количество в центромерных и перицентромерных областях (Schnable et al., 2009; Mayer et al., 2012; Tomato Genome Consortium, 2012; Higgins et al., 2014). Цитологические исследования ячменя показали, что наблюдаемое искаженное распределение хиазмы отражает поляризацию в пространственно-временном инициировании рекомбинации, спаривании хромосом и синапсисе.Мейотическая прогрессия в дистальных хромосомных плечах происходит в координации с хроматиновыми циклами, тогда как в интерстициальных и проксимальных регионах мейотическая инициация происходит позже, не согласовывается с циклами и редко прогрессирует с образованием хиазм. Эта ранняя инициация мейоза связана с эухроматической ДНК, тогда как поздняя репликация наблюдается на гетерохроматине, в центромерных и перицентромерных регионах (Higgins et al., 2012).

Ассоциация кроссоверов с генной частью генома растения может быть следствием специфической открытой структуры хроматина в промоторах и на 3′-концах генов, которая разрешает доступ к ДНК.Это может быть особенно важно во время мейоза, когда хроматин в значительной степени конденсирован и поэтому недоступен для механизма рекомбинации. С этой гипотезой согласуется внутригенный паттерн СО: метаанализ кроссоверов арабидопсиса и кукурузы показал их недопредставленность в телах генов и повышение в ядерных промоторах и 3′-UTR (Wijnker et al., 2013; Rodgers-Melnick et al. др., 2016). Это указывает на оппортунистическую особенность рекомбинационных комплексов у растений, которая, вероятно, является следствием предпочтений SPO11.

Интересно, что схема распределения кроссовера в некоторых деталях отличается от распределения DSB. Например, у кукурузы большие количества DSB образуются в гетерохроматических областях, однако они имеют очень низкую вероятность восстановления путем кроссовера (He et al., 2017). Это указывает на то, что отдельные горячие точки могут значительно отличаться по соотношению CO / NCO. У Arabidopsis DSB не были обнаружены в перицентромерных областях, однако их распределение, хотя и коррелированное с кроссоверами, показывает также некоторые существенные различия: уровни DSB демонстрируют более равномерное распределение по хромосомам, чем кроссоверы (Choi et al., 2018). Неясно, в чем причина этого несоответствия, но одним из факторов мог быть другой генетический материал, используемый для получения обоих наборов данных: олигонуклеотиды SPO11, используемые для картирования DSB, были получены из дополненной мутантной линии spo11-1 в гомозиготном Col-0. фон, в то время как карты кроссовера были получены на основе событий рекомбинации у растений Col x Ler F ₁ , двух разных образцов A. thaliana . Как следствие, кроссоверный ландшафт формируется множеством модификаторов рекомбинации, особенно влиянием паттерна гетерозиготности (см. Ниже).Исследование DSBs с помощью картирования SPO11-oligos только на генетическом фоне Col x Ler или Ler дало бы нам более глубокое понимание взаимосвязи между сайтами инициации рекомбинации и образованием кроссовера. Другим объяснением могут быть пространственно-временные характеристики образования DSB и кроссоверной репарации. DSB образуются в течение относительно длительного времени во время профазы мейоза I, параллельно с конденсацией хромосом, однако считается, что только поздние события приводят к кроссоверной репарации (Anderson and Stack, 2005; Joshi et al., 2015). Как следствие, стадия хроматина ранних и поздних DSB может быть разной, что может привести к наблюдаемым различиям. Эта гипотеза требует более детального анализа конденсации хромосом.

Гетерохиазмия

Половые различия в рекомбинации, известные как гетерохиазмия, — широко распространенное явление, впервые описанное более века назад (Lenormand and Dutheil, 2005). С того времени был собран обширный набор данных по множеству различных видов, указывающих на то, что гетерохиазмия является общей чертой эукариот, включая растения (Lenormand and Dutheil, 2005).Было предложено несколько гипотез, однако ни одна из них не объясняет удовлетворительно вариабельность гетерохиазмии у всех видов (Hedrick, 2007). Это может указывать на то, что причины гетерохиазмии могут быть разными у разных таксонов.

Гетерохиазмия относится как к различиям в частоте рекомбинации, так и к ее пространственному распределению по хромосомам. Нас особенно интересует второй аспект различий в рекомбинации между полами. На растениях это было широко изучено на Arabidopsis, где существенные различия в CO, при очень значительном, 1.Наблюдались в 8 раз более высокие показатели мейоза у мужчин по сравнению с женскими (Визир и Король, 1990). Очень похожие данные были собраны Giraut et al. (2011), которые детально исследовали хромосомное распределение кроссоверов. Хотя кроссинговеры самцов немного повышены по всему геному почти во всех испытанных интервалах, статистически значимые различия были зарегистрированы только для интервалов в субтеломерных областях, и они охватывают большинство различий в уровнях CO между полами (Giraut et al., 2011). Интересно, что соотношение длины генетической карты самцов и самок очень похоже на соотношение общей длины SC между мужским и женским мейозом (Drouaud et al., 2007; Giraut et al., 2011). Аналогичные наблюдения были сделаны и у других видов, включая мышей, Drosophila , человека и рыбок данио (Kleckner et al., 2003). В C. elegans модификация длины SC за счет мутации в субъединицах конденсина приводит к увеличению скорости CO (Mets and Meyer, 2009). Поэтому возникает соблазн предположить, что длина SC определяет число кроссовера.Эта гипотеза подтверждается недавними открытиями на мышах, где была составлена ​​карта сайтов инициации рекомбинации (на основе связывания DMC1) для самцов и самок (Brick et al., 2018). Авторы предоставили доказательства того, что частота DSB не является движущей силой половых различий в дистальных кроссоверах у этого вида.

Недавно был проведен анализ половых структур в СО кукурузы (Kianian et al., 2018). Авторы не сообщают о существенных различиях в пространственном распределении COs в глобальном масштабе, однако мужские и женские CO различаются в мелком масштабе в их расположении относительно сайтов начала транскрипции в промоторах генов.Также наблюдались различия в отношении меток хроматина, включая занятость нуклеосом и h4K4me3 (Kianian et al., 2018). Это указывает на то, что половые особенности распределения кроссовера могут наблюдаться даже у видов, у которых глобальный ландшафт CO остается одинаковым для мужского и женского мейоза. Механизмы, ответственные за эти различия, довольно сложны и в настоящее время малоизвестны. Было бы интересно изучить, как половые различия в СО влияют на структуру популяции и эволюцию генома.

Метилирование ДНК

У растений метилирование ДНК происходит в контексте последовательностей CG, CHG и CHH (где H = A, T или C) (Law and Jacobsen, 2010). Метилирование CG поддерживается во время репликации Метилтрансферазой1 (Met1) с помощью белка ремоделирования хроматина SWI / SNF Снижение метилирования ДНК1 (DDM1) (Vongs et al., 1993; Saze et al., 2003; Stroud et al., 2012; Zemach и др., 2013). Не-CG-метилирование поддерживается хромометилазой2 (CMT2), хромометилазой3 (CMT3) и переупорядоченной матилазой 2 (DRM2) (Lindroth et al., 2001; Malagnac et al., 2002; Cao et al., 2003; Du et al., 2012; Страуд и др., 2012). Метилирование в не-CG контекстах требует метилирования гистона h4K9 с помощью метилтрансфераз домена SET (Jackson et al., 2002; Malagnac et al., 2002; Johnson et al., 2007; Du et al., 2014). Поскольку эти два процесса связаны, мутанты, не связанные с метилированием CG, также демонстрируют восстановленный h4K9me2.

У арабидопсиса и кукурузы полногеномный анализ горячих точек CO показывает низкие уровни метилирования ДНК (Choi et al., 2013; Rodgers-Melnick et al., 2015; Kianian et al., 2018). Исследования мутантов, не связанных с метилированием CG, met1 и ddm1 , документально подтвердили, что ремоделирование эпигенетического кроссовера уменьшается в перицентромерной области и одновременно увеличивается в богатых генами плечах хромосом у Arabidopsis thaliana (Mirouze et al., 2012; Yelina et al. ., 2012; Меламед-Бессудо, Леви, 2012). Это несколько удивительно, поскольку значительная потеря метилирования CG в перицентромерах должна приводить к усилению рекомбинации в этих регионах.Мутанты существенно не изменили общее количество CO, а скорее привели к их перераспределению по хромосомам, что предполагает участие CO интерференции (Colomé-Tatché et al., 2012; Melamed-Bessudo and Levy, 2012; Mirouze et al. ., 2012; Елина и др., 2012, 2015). В более позднем отчете Yelina et al. (2015) сравнили эффект двух перекрестных путей на фоне мутанта met1 и пришли к выводу, что перекрестное ремоделирование обусловлено мешающим путем. Они предположили, что потеря метилирования ДНК либо изменяет относительное время образования DSB между плечами и перицентромерами, либо снижает вероятность обозначения кроссовера вблизи центромеры.Вследствие перекрестной интерференции хромосомные плечи получают дополнительные CO по сравнению с диким типом (Yelina et al., 2015).

Интересно, что очень разные эффекты наблюдались у мутантов, вызывающих потерю метилирования CHG и CHH. Андервуд и др. (2018) наблюдали повышенную скорость СО в перицентромерах с одновременным умеренным сокращением плеч хромосом. Картирование SPO11-oligos выявило значительное увеличение уровней DSB в центромерах, но не в соседних перицентромерных областях у мутантов пути h4K9me2 / non-CG, показывая, что влияние на кроссовер не является простым следствием изменения уровня DSB.Choi et al. (2018) подтвердили, что подобное увеличение DSB можно наблюдать и у мутанта met1 . Таким образом, два типа метилирования ДНК, CG и не-CG, способны вызывать сходные изменения в паттерне DSB, но имеют почти противоположные последствия для распределения CO. Авторы предположили, что хотя метилирование как CG, так и не-CG ингибирует образование DSB, только не-CG-метилирование и / или h4K9me2 ингибируют кроссовер (Underwood et al., 2018). В соответствии с этой гипотезой, горячие точки эухроматического кроссовера у Arabidopsis могут подавляться посредством РНК-направленного пути метилирования ДНК, который вызывает метилирование как CG, так и не-CG, а также увеличение метки h4K9me2 (Yelina et al., 2015). Было бы интересно выяснить, какая из этих эпигенетических модификаций так важна для образования кроссовера.

Влияние гетерозиготности на распределение кроссоверов

Несоответствия между последовательностями ДНК в гомологичных хромосомах вряд ли будут обнаружены на стадии формирования DSB, потому что это требует инвазии цепи. Однако гетерозиготность оказывает огромное влияние на распределение кроссовера, влияя на решение о кроссовере / непересечении. Обнаружение несовпадений во время мейотической рекомбинации возможно благодаря системе восстановления несоответствий (MMR) (Manhart and Alani, 2016).На этом пути гетеродимеры гомологов MutS (MSh3-MSh4, MSh3-MSH6 или MSh3-MSH7) связывают ДНК, обнаруживают несовпадения и привлекают гетеродимеры гомологов MutL (MLh2-MLh4 и MLh2-PMS1) в АТФ-зависимой реакции. Комплекс MLh2-PMS1 проявляет сильную антикроссоверную функцию, в то время как комплекс MLh2-MLh4 в комбинации с SGS1 и EXO1 способен разрешать двойные соединения Холлидея как кроссоверы (Börner et al., 2004; Bzymek et al., 2010; Manhart and Алани, 2016). Это происходит через основной путь кроссовера ZMM, который у Arabidopsis включает MSh5, MSH5, MER3, HEI10, ZIP4, SHOC1, PTD) (Copenhaver et al., 2002; Хиггинс и др., 2004, 2008b; Чен и др., 2005; Macaisne et al., 2008; Челышева и др., 2012, 2007). У растений, подобно многим другим эукариотам, инвазии цепей, которые не разрешаются с помощью пути ZMM, также могут быть репарированы с помощью минорного пути кроссовера (Berchowitz et al., 2007; Higgins et al., 2008a). Это основано на частично повторяющихся структурно-специфичных нуклеазах и не склонно к кроссоверу (De Los Santos et al., 2003; Mercier et al., 2015; Wang and Copenhaver, 2018). Точный механизм смещения кроссовера ZMM в настоящее время неизвестен.

Хромосомная шкала

Ранние работы с бактериями показали, что рекомбинантные частоты между несовпадающими субстратами были намного ниже, чем у идеально согласованных субстратов (Claverys and Lacks, 1986; Shen and Huang, 1986), и что система MMR устанавливает генетический барьер во время рекомбинации расходящихся последовательностей. (Rayssiguier et al., 1989; Shen and Huang, 1989; Matic et al., 1995). Несколько исследований продемонстрировали, что также у почкующихся дрожжей снижение гомологии последовательностей между хромосомами значительно снижает мейотическую рекомбинацию (Nilsson-Tillgren et al., 1981, 1986; Хантер и др., 1996). В исследовании, в котором изучалось скрещивание двух видов Saccharomyces , Hunter et al. (1996) обнаружили, что полученный межвидовой гибрид дает высокий уровень анеуплоидии и низкие уровни мейотической рекомбинации, но когда тот же эксперимент был повторен на генетическом фоне мутантов-гомологов MutH и MutL, msh3 и pms1 , увеличение рекомбинация и уменьшение анеуплоидии. Кроме того, в модели S.cerevisiae с одной копией хромосомы III из Saccharomyces paradoxus , также наблюдалось зависимое от репарации несовпадения (MMR) ингибирование рекомбинации между гомеологичными (т.е. гетерозиготными) хромосомами, так что у мутантов pms1 и msh3 , рекомбинация увеличивалась между двумя хромосомами III, что приводило к снижению нерасхождения этой хромосомы (Chambers et al., 1996). Поскольку только одна из 12 хромосом дрожжей была гомеологичной, маловероятно, что наблюдаемый эффект мог быть связан с какими-либо потенциальными модификаторами, действующими на trans .Эти исследования подтвердили, что у дрожжей, как и у бактерий, гетерозиготность подавляет кроссинговер и что система MMR действует как генетический барьер для мейотической рекомбинации между несовпадающими хромосомами.

У растений анализ влияния гетерозиготности на мейотическую рекомбинацию в хромосомной шкале ограничен из-за существования транс-модификаторов , которые могут влиять на рекомбинацию у гибридов. Это может привести к результатам, которые трудно интерпретировать.Например, в A. thaliana несколько исследований мейотической рекомбинации у растений F ₁ и F ₂ показывают обширные вариации числа кроссоверов, которые не коррелируют с различиями последовательностей между родительскими образцами (Alonso-Blanco et al., 1998 ; Simon et al., 2008; Salomé et al., 2011; Ziolkowski et al., 2015). Точно так же о такой корреляции не сообщалось для кукурузы (Beavis and Grant, 1991; Bauer et al., 2013). Однако эта проблема может быть частично преодолена, если для сравнения будут использоваться линии хромосомных замен.В линиях замещения хромосом пара хромосом одной линии или вида заменяется гомеологичной парой из другого сорта / вида. Наборы линий хромосомных замен были разработаны специально для растительных культур, хотя прямое сравнение частот кроссовера нечасто. В томате межвидовой гибрид между Lycopersicon esculentum и Solanum lycopersicoides показывает ок. Снижение мейотической рекомбинации на 27% (Chetelat et al., 2000). Интересно, что гетерозиготные линии замещения, содержащие один S.хромосома lycopersicoides , скрещенная с S. lycopersicum , рекомбинирует менее чем на 50% от скорости, наблюдаемой для той же хромосомы в гибриде F ₁ (Ji and Chetelat, 2003). Тот факт, что большинство хромосом L. esculentum и S. lycopersicoides можно различить с помощью геномной гибридизации in situ (GISH), предполагает, что два генома существенно разошлись с точки зрения диспергированных повторяющихся последовательностей. Одна из этих линий замены также была проанализирована в фоновом режиме, когда система MMR не была полностью функциональной, и это привело к увеличению частоты кроссовера (в среднем 17.На 8% больше по сравнению с диким типом) (Tam et al., 2011). Сходные результаты были получены для Arabidopsis thaliana , где гибрид между образцами Col x Ler в мутанте msh3 продемонстрировал 1,4-кратное увеличение скорости CO по сравнению с диким типом (Emmanuel et al., 2006). Это указывает на то, что наблюдаемое подавление рекомбинации в основном связано с гетерозиготным состоянием в цис .

Считается, что подавление рекомбинации в полиморфных областях важно для предотвращения вредоносной эктопической рекомбинации между повторяющимися последовательностями в геноме (Modrich and Lahue, 1996; Borts et al., 2000; Эванс и Алани, 2000). Как правило, неаллельные копии повторяющихся последовательностей быстро накапливают мутации, которые помогают отличить их от аллельных копий. Сохранность системы MMR и аналогичные эффекты ее неисправности у разных организмов предполагают, что этот эффект универсален для эукариот.

Локальные эффекты, уровень точки доступа

Влияние гетерозиготности на частоту мейотического кроссовера также анализировали по шкале рекомбинации горячих точек. Borts and Haber (1987) проверили влияние гетерозиготности на продукты мейотической рекомбинации в искусственном интервале MAT-pBR322-URA3-MAT .Используя штаммы дрожжей, которые содержат несовпадения в этой горячей точке (примерно 0,1% расхождения между штаммами), они показали, что количество перекрестных событий снизилось с 23,4 до 10,1% по сравнению с полностью гомозиготными штаммами, и было соответствующее увеличение аберрантных событий. как обнаружено с помощью маркеров с фланга. В pms1 была восстановлена ​​рекомбинация мутанта , что привело авторов к предположению, что независимая репарация этих широко разнесенных несовпадений может приводить к образованию новых двухцепочечных разрывов, которые, в свою очередь, могут стимулировать второй раунд рекомбинации (Borts et al., 1990). Эти события были обнаружены из-за присутствия фланкирующих повторяющихся последовательностей MAT , и это вероятная причина, по которой они не были обнаружены в других экспериментальных системах (Symington and Petes, 1988; Malone et al., 1994). У мышей высокополиморфная горячая точка A3 репарировалась в основном через межгомологичный путь NCO, а рефрактерная зона CO соответствовала области, содержащей три индела (Cole et al., 2010). Это указывает на то, что также у млекопитающих полиморфизм не влияет на образование DSB, однако он влияет на выбор пути репарации.

Что касается растений, то основная работа по этой теме была проведена на кукурузе, где были охарактеризованы горячие точки сильной рекомбинации a1-sh3 и bronze (Dooner, 1986; Yao et al., 2002), а также высокое генетическое разнообразие между разными инбредные линии кукурузы (Fu and Dooner, 2002; Lai et al., 2010) представляют собой идеальную экспериментальную систему. 130 т.п.н. области a1-sh3 демонстрирует скорость мейотической рекомбинации от 0 до 11 сМ / МБ, что значительно больше, чем в среднем по региону (0.0087 cM / Mb) (Yao et al., 2002). Локус bronze длиной 1,5 т.п.н. имеет частоту рекомбинации, по крайней мере, в 100 раз выше, чем в среднем для генома кукурузы (Dooner, 1986; Dooner and Martínez-Férez, 1997). Оба интервала высоко полиморфны между гаплотипами кукурузы и обнаруживают как генную, так и негенную коллинеарность (Fu and Dooner, 2002; Yao et al., 2002; Brunner et al., 2005). Еще большие различия наблюдаются по сравнению с гаплотипами теозинте, который считается диким предком кукурузы (Yao and Schnable, 2005).

В большинстве исследований авторы пришли к выводу, что рекомбинация подавляется полиморфизмами (Dooner and Martínez-Férez, 1997; Yao and Schnable, 2005). Дунер и Мартинес-Ферес (1997) на экспериментальной установке, где использовались скрещивания линий кукурузы с разным количеством полиморфизмов с тестовой линией, обнаружили хорошую отрицательную корреляцию со скоростью рекомбинации. Подобные эффекты наблюдались в экспериментах, где сравнивались соседние регионы: субинтервалы, которые демонстрируют более высокие скорости рекомбинации на мегабазу, чем их соседние субинтервалы, также демонстрируют более низкие уровни полиморфизма (Yao and Schnable, 2005).Менее четкая взаимосвязь наблюдалась для несмежных интервалов. Общая проблема с интерпретацией этих данных состоит в том, что разные типы полиморфизмов могут влиять на рекомбинацию в разной степени, особенно с SNP и инделками, которые нельзя рассматривать одинаково. В случае экспериментов с горячими точками a1-sh3 и bronze большие мобильные элементы, существующие в этих линиях, значительно уменьшают рекомбинацию (Fu et al., 2002; Dooner and He, 2008; He and Dooner, 2009).Например, кластер ретротранспозонов размером 26 т.п.н., расположенный рядом с локусом bronze , подавляет кроссовер в этой горячей точке в два раза (Dooner and He, 2008), а структура гаплотипа, определяемая присутствием гелитронов и ретротранспозонов в этом локусе, сильно ингибируется. наличие рекомбинации у гетерозиготных растений (He, Dooner, 2009).

В A. thaliana проведение исследований частоты кроссовера на уровне горячих точек долгое время было невозможно из-за отсутствия морфологических маркеров, подобных тем, которые используются для кукурузы.Однако недавнее развитие техники типирования пыльцы позволило преодолеть это ограничение (Drouaud, Mézard, 2011; Yelina et al., 2012; Choi et al., 2013; Drouaud et al., 2013). Типирование пыльцы, как и типирование сперматозоидов, разработанное для млекопитающих, основано на аллель-специфической амплификации области горячей точки из постмейотических гамет. Последующее секвенирование продуктов ПЦР позволяет точно определить контрольные точки рекомбинации в отношении полиморфных регионов, даже несмотря на то, что при типировании пыльцы сравнение кроссоверного ландшафта с полностью гомозиготной линией невозможно.Анализ распределения кроссовера по отношению к SNP показывает, что полиморфизм подавляет образование кроссовера в масштабе горячих точек аналогично другим эукариотам (Choi et al., 2013, 2016; Yelina et al., 2015, 2012; Ziolkowski and Henderson, 2017; Лоуренс и др., 2018). Анализ NCO, как технически более сложный, был выполнен только в одном исследовании (Drouaud et al., 2013). В других случаях авторы изучали только перекрестные события, поэтому трудно сделать вывод о распределении DSB в горячих точках.К счастью, для прямого сравнения мы можем использовать данные секвенирования SPO11-oligo, чтобы наблюдать паттерн DSB в горячих точках кроссовера (Choi et al., 2018). Распределение событий CO ясно показывает ингибирование в полиморфных сайтах (Choi et al., 2013, 2016). Это особенно заметно для высокополиморфной точки доступа RAC1-GDSL (рисунок 3). Как и ожидалось, на распределение DSB не влияют SNP, и фактически уровни SPO11-oligos повышены в регионах, богатых SNP. Это предполагает, что полиморфизм возник в результате мутаций, связанных с рекомбинацией.

Рис. 3. Распределение DSB (SPO11-1-oligos; голубой профиль) и CO (cM / Mb; толстая черная линия) внутри горячей точки RAC1-GDSL в A. thaliana . Полиморфизм между образцами Col и Ler, используемый для картирования CO, обозначен красными галочками. Ориентация гена и структура экзон-интрон показаны в верхней части графика. Обратите внимание на чрезмерное представительство DSB на 5′-концах, 3′-концах генов и внутри некоторых интронов. Кроссоверы появляются в основном во фрагментах хот-спота без SNP.Изменено из Choi et al. (2018).

Предполагая независимое от полиморфизма распределение DSB в горячих точках, мы можем заключить, что в масштабе килобаз полиморфные сайты вызывают ингибирование путей CO и восстанавливаются в основном NCO. Если сайты DSB конкурируют за факторы CO, полиморфизм, ингибирующий CO, приведет к рекомбинационной гиперактивности некоторых горячих точек. Другими словами, полиморфизм будет действовать ингибирующим образом в масштабе единственной горячей точки, но увеличивать шанс соседней свободной от полиморфизма горячей точки для входа в путь перекрестной репарации (Рис. 4).

Рисунок 4. Модель конкуренции между горячими точками в ответ на гетерологию последовательностей. (A) Три горячие точки (овалы, пунктирные линии) активируются и участвуют в инвазии цепи в две гомологичные хромосомы, которые идентичны в отношении последовательности. Из-за нехватки кроссоверов все они конкурируют и имеют одинаковые шансы на превращение в кроссовер. (B) Две гомологичные хромосомы различаются по одной паре оснований (желтые клещи).Во время инвазии цепей несовпадения обнаруживаются с помощью MMR (желто-красные клещи) и превращаются в непересекающиеся. Как следствие, идеально подобранные вторжения имеют больше шансов стать кроссоверами. Для простоты было показано одно направление инвазии нитей.

Чувствительность различных путей рекомбинации к гетерозиготности

Как уже упоминалось, у большинства эукариот, включая растения, существует по крайней мере два мейотических перекрестных пути (Higgins et al., 2004; Mercier et al., 2005). Основной путь в A. thaliana ответственен за около 85% перекрестных событий (Chelysheva et al., 2007), чувствителен к интерференции и зависит от группы белков, которые вместе называются ZMM (Copenhaver et al., 2002; Higgins et al., 2004, 2008b; Chen et al., 2005; Macaisne et al., 2008; Chelysheva et al., 2012, 2007). Остальные кроссоверы не мешают, случайным образом распределены по хромосомам и зависят от рекомбиназ, таких как MUS81, которые не являются специфичными для мейоза и которые также играют важную роль в соматических клетках (Berchowitz et al., 2007; Хиггинс и др., 2008а). У дикого типа промежуточные продукты рекомбинации в не мешающей репарации DSB в основном направлены на путь NCO с помощью геликазы FANCM (Crismani et al., 2012; Knoll et al., 2012) и гомологов геликазы BLM / SGS1 RECQ4A / B (Séguéla -Arnaud et al., 2015, 2017). Кроме того, на стадию инвазии цепи влияет AAA-ATPase FIGL1, которая препятствует взаимодействию с гомологичной хромосомой (Girard et al., 2015; Fernandes et al., 2018a). У мутантов этих генов наблюдается резкое увеличение частоты кроссовера.

Пути класса I и II сравнивали по чувствительности к полиморфизму в шкале хромосомных областей в Arabidopsis thaliana . Из-за отсутствия надлежащих не мешающих мутантов (Mercier et al., 2015) поведение класса II может быть проанализировано только косвенно, например, с использованием мутанта fancm , где невмешательская репарация направлена ​​на кроссовер (Crismani et al., 2012; Knoll et al., 2012). Ziolkowski et al. (2015) сообщили, что на фоне fancm наблюдается очень небольшое увеличение частоты рекомбинации в хромосомных областях в гетерозиготном состоянии по сравнению с Arabidopsis дикого типа.У двойного мутанта fancm zip4 наблюдалось значительное снижение скорости кроссинговера для гетерозиготных областей, хотя тот же самый мутант в гомозиготных областях показывает резкое увеличение. В соответствии с этим, повышенная интерференция в гетерозиготных регионах наблюдается у растений дикого типа (Ziolkowski et al., 2015). Хотя прямого анализа того, как уровень полиморфизма влияет на ингибирование, не проводилось, высокополиморфные перицентромерные области проявляли более сильное подавляющее действие на частоту кроссовера класса II, чем менее полиморфные субтеломерные области.Авт. Пришли к выводу, что оба перекрестных пути проявляют противоположную чувствительность к гетерозиготности, причем не мешающие пути неспособны успешно восстанавливать DSB в таких регионах, по крайней мере, на фоне fancm . Girard et al. (2015) также не наблюдали увеличения скорости кроссовера у мутанта fancm у гибридов, но значительное увеличение наблюдалось у двойного мутанта fancm figl1 по сравнению с либо диким типом, либо figl1 . FIGL1 — это белок, который, как предполагается, ограничивает стадию инвазии цепи во время рекомбинации за счет регуляции белков DMC1 и RAD51 (Girard et al., 2015; Fernandes et al., 2018a). Таким образом, авторы пришли к выводу, что в отсутствие белка FIGL1 не мешающий FANCM -зависимый путь может успешно восстанавливать гетерозиготные хромосомные области путем кроссовера. Это предполагает существование другого неизвестного механизма, который нарушает антикроссоверную активность FANCM у гибридов (Girard et al., 2015).

В более позднем исследовании Fernandes et al. (2018b) исследовали совокупный эффект мутантов A. thaliana во всех трех антирекомбинационных путях, т.е.е., recq4 , figl1 и fancm , и наблюдалось значительное увеличение уровней CO при кроссах Col x Ler между вступлением. Однако для перицентромерных областей наблюдалось лишь незначительное увеличение скорости CO. Авторы предположили, что это может быть связано с ограниченной доступностью перицентромерного хроматина для SPO11, что приводит к отсутствию сайтов инициации рекомбинации (Fernandes et al., 2018b). Это объяснение кажется правдоподобным, если принять во внимание недавнее открытие падения DSB в перицентромерах Arabidopsis (Choi et al., 2018). Более того, сильная антикорреляция между рекомбинацией и плотностью SNP была обнаружена в recq4 figl1 , что не наблюдалось у дикого типа. Это подразумевает ингибирующее влияние полиморфизма на скорость кроссовера (Fernandes et al., 2018b). Подтверждая это наблюдение, значительно более низкие уровни CO наблюдались в середине правой руки хромосомы 1, что соответствует значительному увеличению полиморфизмов (Ziolkowski et al., 2009; Choi et al., 2016). Следовательно, недостаток дополнительных CO в перицентромерных областях может быть частично связан с повышенным полиморфизмом, который, по-видимому, препятствует пути репарации CO (Fernandes et al., 2018б). Чтобы проверить эту гипотезу, необходим эксперимент, включающий сопоставление гетерозиготности и гомозиготности. Для полного понимания чувствительности к полиморфизму обоих путей кроссовера потребуются дальнейшие эксперименты, включающие использование подходящих кроссоверных мутантов класса II.

Сопоставление гетерозиготных и гомозиготных областей изменяет хромосомное перераспределение кроссовера

Широко задокументированное подавление частоты кроссовера на уровне горячих точек противоречит данным, собранным на хромосомной шкале в A.thaliana , когда гомозиготный и гетерозиготный сегменты были сопоставлены (Ziolkowski et al., 2015). В такой экспериментальной установке наблюдалось реципрокное увеличение кроссовера в гетерозиготных и уменьшение в гомозиготных областях (Рисунок 5). Общее количество кроссоверов, измеренное подсчетом хиазм, не изменилось в соответствии с гомеостатической регуляцией. Это явление, по-видимому, не зависит от хромосомного положения, поскольку оно было показано для двух разных хромосом и для субтеломерных и перицентромерных интервалов и наблюдалось в разных A.thaliana скрещивает (И. Р. Хендерсон, личное сообщение). Анализ на основе мутантов fancm , zip4 и fancm zip4 предоставил убедительные доказательства того, что этот процесс зависит от интерференции.

Рис. 5. Эффект сопоставления гетерозиготности. Две гомологичные хромосомы в (A – C) различаются по структуре гетерозиготности (бирюзовая и темно-желтая). (A) Уровни кроссовера повышаются в гетерозиготной области за счет соседних гомозиготных областей на той же хромосоме (в цис ). (B) Кроссоверы равномерно распределены в полностью гомозиготных хромосомах (C) Кроссоверы равномерно распределены в полностью гетерозиготных хромосомах, хотя наблюдается снижение частоты рекомбинации в масштабе хромосом. Другие эффекты, которые могут повлиять на пространственное распределение кроссовера, для простоты не показаны. Уровни рекомбинации схематично показаны на нижней панели с использованием цветового кода для (A – C) .

Механизмы, с помощью которых осуществляется эффект сопоставления, не изучены, однако он должен включать обнаружение несоответствий белками MMR, поскольку эффект зависит в основном от пути ZMM.Возможно, что специфическая передача сигналов между компонентами MMR и путем ATM / ATR приводит к формированию дополнительных DSB в регионе, и это также может включать некоторый тип конкуренции сайтов DSB. Также в настоящее время неизвестно, является ли этот феномен уникальным для Arabidopsis или является общей характеристикой интерференционно-зависимого пути кроссовера у эукариот. Сохранение основных компонентов образования мейотических DSB и путей восстановления, зависимых от интерференции, предполагает, что он может существовать у других организмов, особенно у самоопыляющихся видов растений, где ситуации соседних гомозиготных и гетерозиготных регионов обычны.Биологическое значение этого процесса будет заключаться в увеличении шансов генерировать новые комбинации генетического материала: CO, встречающиеся в гомозиготных областях, приводят к восстановлению родительских гаплотипов в следующем поколении, в то время как стимулирование рекомбинации в гетерозиготных сегментах всегда приводит к некоторым новым сборкам аллелей.

Заключительные замечания и перспективы

Недавние открытия в области мейотической рекомбинации значительно изменили наше понимание процессов, ответственных за формирование генома.Однако между млекопитающими и растениями были обнаружены существенные различия. У млекопитающих гистон-метилтрансфераза PRDM9 играет ключевую роль в определении сайтов кроссовера, в то время как у растений распределение рекомбинации зависит от большого количества тонких особенностей, как на уровне генетики, так и на уровне структуры хроматина. Например, в настоящее время неизвестно, играет ли h4K4me3 аналогичную функцию в связывании горячих точек рекомбинации с петлями хроматина у растений, как это было показано для почкующихся дрожжей и животных, поскольку данные противоречивы.С этой точки зрения необходима дальнейшая работа, чтобы определить отношения между отдельными уровнями и найти правила, отвечающие за приоритет одних факторов над другими.

По сравнению с сайтами инициации рекомбинации, дополнительные регуляторные уровни распределения кроссовера являются результатом решения CO / NCO. Недавние разработки в области растений, особенно подходы к оценке уровней DSB и мелкомасштабному картированию кроссовера (He et al., 2017; Choi et al., 2018), показывают, что эти факторы могут иметь также эпигенетическое происхождение.Основная проблема, с которой сталкиваются исследователи в своих исследованиях по расшифровке эпигенетических факторов, заключается в обширном перекрестном взаимодействии между различными эпигенетическими модификациями и тем фактом, что они действуют в глобальном масштабе. Следовательно, потребуются новые целевые подходы для исследования эффектов конкретных изменений на местном уровне и в масштабе очага. Направление определенных модификаций на определенные хромосомные участки вместе с нацеливанием на события рекомбинации, возможно, с использованием технологии CRISPR-dCas9, может обеспечить привлекательную стратегию для этой цели и должно привести к дальнейшим захватывающим открытиям.

Другая интересная тема, которая требует дальнейшего изучения, относится к взаимодействиям между гомологами хромосом, где локальные различия в последовательности ДНК, а также, вероятно, локальные состояния хроматина влияют на результаты инвазии цепи. Это особенно интересно для самоопыляющихся растений, которые характеризуются высоким уровнем гомозиготности последовательностей. Их редкое скрещивание приводит к существованию гетерозиготных участков, соседствующих с гомозиготными на одной хромосоме, и тем самым создает новые шансы для эволюции генома (Ziolkowski et al., 2015). Было бы интересно исследовать механизм, ответственный за эти эффекты цис на кроссоверную стимуляцию. В этом контексте было бы интересно ответить на вопросы о потенциальных эффектах «эпигенетической гетерозиготности» и конкуренции между горячими точками рекомбинации. Эти результаты, наряду с недавним прогрессом в идентификации транс -действующих факторов, ответственных за распределение кроссовера (Ziolkowski et al., 2017; Fernandes et al., 2018b), открывают новые перспективы для разработки новых стратегий разведения (Choi, 2017; Lambing and Heckmann, 2018).

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Финансирование

Работа поддержана грантом на установку EMBO и грантом Польского национального научного центра (2016/21 / B / NZ2 / 01757 и 2016/22 / E / NZ2 / 00455) для PAZ.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.