16 September 2023, 11:00

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

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.

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

Source:  Пресс-служба РНФ

News article labs

News article publications

Read also

Полимер из панцирей крабов поможет понять механизм борьбы со стрессом у томатов
Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН выяснили, что эффект, оказываемый на томаты природным полимером хитозаном, получаемым из панцирей ракообразных, в частности, крабов, зависит от его концентрации и периода воздействия. Ранее было известно, что это соединение повышает стрессоустойчивость взрослых растений, но молекулярный механизм этого влияния до сих пор оставался не до конца исследованным. Новые данные позволят использовать хитозан в качестве модулятора устойчивости к стрессу у сельскохозяйственных культур, в частности, растений томата.
Agricultural sciences
Botany
Synthesis
23 March 2024
Ускорен поиск новых лекарств с помощью машинного обучения
В последние годы компьютерное моделирование сильно облегчило создание новых лекарств за счет предсказания структуры молекул и их взаимодействий. Однако даже такой «чисто компьютерный» скрининг может быть слишком дорог и затруднен, если речь идет о миллионах веществ. Поэтому авторы новой статьи в Journal of Chemical Information and Modeling — исследователи из МФТИ, Университетов Гронингена и Гренобля, — сделали этот процесс намного быстрее и эффективнее с помощью активного машинного обучения.
Drug Design
Machine learning
Molecular Biology
13 February 2024
Найдена новая форма жизненно важных белков — актинов
Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Института цитологии РАН, Объединенного института ядерных исследований и Университета Южной Флориды (США) изучили инактивированную форму белка актина. Это исследование поможет в понимании механизмов функционирования ядра живой клетки — органеллы, в которой сосредоточен наследственный аппарат, и в разработке новых методов терапии возрастных заболеваний.
Cell Biology
Microbiology
Molecular Biology
11 February 2024
Раскрыты особенности структурной и регуляторной эволюции генов человека
Ученые Сеченовского Университета и МФТИ впервые в мире сравнили скорость регуляторной и структурной эволюции отдельных генов, а также целых молекулярных путей, в которые вовлечены продукты многих генов. Исследование открыло ранее неизвестные особенности молекулярной эволюции генов человека, что впоследствии послужит основной для новых разработок, в том числе в поиске путей лечения различных заболеваний.
Evolution
Evolutionary biology
Genetics
Molecular Biology
7 February 2024
Соседние с опухолью клетки отличаются от здоровых клеток человеческого тела
Международный коллектив представил результаты исследования о воздействии раковых образований на соседние ткани. Ранее это воздействие детально не изучалось. Полученные данные помогут разработать более эффективные методы лечения онкологических заболеваний и создать лекарственные препараты нового поколения.
Cancer Research
Cell Biology
Molecular Biology
Oncology
24 January 2024
Летнее потепление приведет к исчезновению дальневосточной ели в долинах
Ученые выявили, что потепление климата повлияет на распространение ели аянской - одного из главных промышленных видов хвойных деревьев Дальнего Востока России. Причем эффект потепления будет зависеть от сезона: если увеличится максимальная температура летних месяцев, то эта хвойная порода исчезнет из долин и останется только в высокогорных районах. Если же потепление проявится в зимний период, то на вершинах горной системы создадутся более благоприятные условия для ее произрастания. Полученные результаты помогут оценить риски потери ели аянской, что повлияет на экономику региона.
Biogeography
Botany
Ecology
22 January 2024