Rekombinacja crossing-over polega na wzajemnej wymianie fragmentów DNA pomiędzy chromosomami rodzicielskimi w trakcie mejozy, tj. podziału komórkowego, w wyniku którego powstają komórki rozrodcze. Crossing-over jest niezbędne dla prawidłowego rozchodzenia się chromosomów podczas mejozy, ale także do powstawania nowych kombinacji alleli genów, czyli mieszania informacji genetycznej od obu rodziców. Dzięki temu potomstwo osobników rozmnażających się płciowo różni się od swoich rodziców prezentując swoistą mieszankę ich cech. Z tych też przyczyn crossing-over jest podstawowym narzędziem hodowców pozwalającym na uzyskiwanie nowych ulepszonych ras zwierząt i odmian roślin uprawnych.
Zdarzenia crossing-over nie występują równomiernie wzdłuż chromosomów, ale w specyficznych regionach określanych jako gorące miejsca rekombinacji (ang. recombination hotspots). Jednym z podstawowych ograniczeń w badaniach nad czynnikami wpływającymi na zachodzenie crossing-over jest brak metod zapewniających precyzyjną identyfikację miejsca zajścia crossing-over. Dlatego aby móc mapować zdarzenia crossing-over na poziomie gorących miejsc rekombinacji opracowaliśmy nową technikę, nazwaną typowaniem nasion. Opiera się ona na segregacji genów kodujących białka fluorescencyjne w nasionach (Rysunek A). Wykorzystując opracowaną przez nas technikę zidentyfikowaliśmy jedno z najaktywniejszych gorących miejsc rekombinacji w roślinie modelowej Arabidopsis thaliana, które nazwaliśmy Chili Pepper (Rysunek B). Ponadto, pokazaliśmy, że różnice w DNA pomiędzy rodzicami, tzw. polimorfizmy DNA, są wykrywane przez specjalne kompleksy białek MSH2, które stymulują zachodzenie crossing-over w obrębie gorących miejsc rekombinacji.
Na podstawie przeprowadzonych badań zaproponowaliśmy model, w którym gorące miejsca rekombinacji zlokalizowane w regionach z większą gęstością polimorfizmów DNA (Hotspot #2 na Rysunku C) są aktywniejsze, niż sąsiadujące, znajdujące się w regionach mniej polimorficznych (Hotspot #1). Stymulacja aktywności gorących miejsc jest zależna od białek detekcji polimorfizmów MSH2.
Nasze wyniki stanowią szczegółową analizę zachodzenia crossing-over w gorących miejscach rekombinacji, które w przyszłości mogą umożliwić precyzyjne kierowanie crossing-over w wybrane regiony chromosomów. Dzięki temu możliwe będzie przenoszenie korzystnych wersji genów pomiędzy odmianami roślin uprawnych, np. odpowiadających za odporność na choroby.
Szymanska-Lejman M, Dziegielewski W, Dluzewska J, Kbiri N, Bieluszewska A, Poethig RS, Ziolkowski PA. The effect of DNA polymorphisms and natural variation on crossover hotspot activity in Arabidopsis hybrids. Nat Commun. 2023 Jan 3;14(1):33. https://www.nature.com/articles/s41467-022-35722-3.
