При помощи белка Cas9 можно отслеживать «блуждающие» участки ДНК у растений

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.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Journal of Integrative Plant Biology.