Растения арабидопсиса, растущие на питательной среде. Источник: Илья Киров
Ученые разработали новый метод для отслеживания мобильных генетических элементов у растений. Это участки ДНК, которые перемещаются по геному и вызывают изменение различных признаков (цвета, формы и других). В отличие от старых технологий, благодаря которым отследить такие перемещения удавалось только между разными поколениями (родительским и дочерним растением), новый подход позволяет выявлять их практически в режиме реального времени. Предложенный метод поможет ученым ускорить выведение новых линий сельскохозяйственных растений. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Integrative Plant Biology.
Мобильные генетические элементы (или транспозоны) — это древний природный механизм, формирующий генетическое разнообразие всего живого на Земле. Они найдены почти во всех живых организмах и могут составлять до примерно 93% генома. Транспозоны представляют собой участки ДНК, способные перемещаться внутри одной клетки (или генома). Делают это они через молекулу РНК или через «вырезание» себя из генома. Во время таких перемещений транспозоны создают свои копии, тем самым изменяя последовательности цепочек ДНК, что влияет на многие признаки, например на цвет плодов и форму листьев современных сортов сельскохозяйственных культур. Поэтому мобильные элементы можно назвать одной из основных движущих сил разнообразия, адаптации и эволюции растений. Если бы можно было контролировать их перемещение, появилась бы возможность создавать новые линии сельскохозяйственных растений. Однако даже просто отследить, куда переместятся транспозоны, ранее было возможно, только сравнив геномы различных поколений — родительского растения и его потомков.
Ученые из Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной биотехнологии (Москва) и Московского физико-технического института предложили метод, который позволяет найти мобильные генетические элементы, не прибегая к сравнению геномов нескольких поколений. Этот подход включает две технологии. В рамках первой — CANS (Cas9‐targeted Nanopore sequencing) — авторы выделяли общую ДНК из растений арабидопсиса. Далее при помощи белка Cas9 они «узнавали» фрагменты ДНК, которые несут мобильные элементы, и определяли в них последовательность нуклеотидов с помощью нанопорового секвенирования.
Вторая технология — программа NanoCasTE — новая разработка авторов, которая позволяет автоматизировать работу и быстро находить новые мобильные элементы по данным CANS. Программа сравнивает полученные последовательности фрагментов ДНК с общепризнанной научным сообществом «эталонной» последовательностью ДНК арабидопсиса. В отличие от предыдущих затратных по времени подходов, которые требовали сравнения геномов нескольких поколений, новый метод позволяет определять транспозоны практически в режиме реального времени.
С помощью технологии CANS/NanoCasTE исследователи впервые показали, куда перемещаются транспозоны растений. Оказалось, что это не случайный процесс, как считалось ранее. Он зависит от модификаций и последовательности цепочек ДНК, а также от транскрипции — процесса, в ходе которого на матрице ДНК синтезируется последовательность молекулы РНК.
«Наши результаты — это пример некоторой направленности мутаций в процессе эволюции. Это наблюдение очень важное, так как традиционно учебники по биологии гласят, что мутации возникают совершенно случайно. Так вот наши исследования свидетельствуют, что это не совсем так», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Киров, заведующий лабораторией маркерной и геномной селекции растений ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии и лабораторией системной геномики и мобиломики растений МФТИ.
В то же время авторы отмечают несколько ограничений разработанного метода. В частности, он требует большого количества геномной ДНК хорошего качества. Кроме того, только у 5–10% нанопор в приборе определение происходит одновременно, что снижает эффективность поиска.
«CANS/NanoCasTE может служить удобным инструментом для улавливания мобильных элементов в геномах растений. Эта технология открывает новые возможности для дальнейшего изучения транспозонов и поиска способа контролировать их перемещение, чтобы ускорить создание новых сельскохозяйственных растений с абсолютно разными характеристиками», — подводит итог Илья Киров.
В дальнейшем авторы попытаются лучше понять, чем определяется активность мобильных элементов растений и с какими молекулами взаимодействует транспозон в ходе своего жизненного цикла. Это позволит лучше разобраться в биологии мобильных элементов и понять, из-за чего они перемещаются.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда