Генетика, 2023, T. 59, № 7, стр. 839-842

В 2021 г. были опубликованы результаты полного секвенирования генома Secale cereale [1, 2]. Доступность аннотированного генома ржи позволила провести биоинформатический анализ и выявить потенциальные гены-кандидаты, мутации в которых в гомозиготном состоянии, как было показано ранее [3–5], приводят к нарушению процессов синапсиса гомологичных хромосом. Для анализа были взяты гены, мутации в которых были ранее обозначены как sy1, sy9, sy10, sy18 и sy19.

Выбор генов-кандидатов осуществляли на основе данных микросателлитного картирования [3–6] и сопоставления их с аннотированными последовательностями генома ржи. Гены Sy9 и Sy18 ранее были картированы на длинном плече 2R-хромосомы ржи вблизи центромеры. Sy9 был картирован в непосредственной близости от микросателлитных локусов Xscm43 и Xrems1230 ржи и локуса Xgwm132 пшеницы, тогда как Sy18 был картирован относительно локусов Xrems1130 и Xrems1203 ржи. Sy10 был локализован на длинном плече хромосомы 5R ржи вблизи микросателлитных локусов Xgwm126, Xgwm6 и Xgwm538 пшеницы и Xscm179 ржи. Мутации sy1 и sy19 были локализованы на длинном плече хромосомы 7R ржи рядом с локусами Xrems1187, Xrems1135 и Xrems1188 ржи (sy1) и локусом Xrems1234 ржи (sy10). Биоинформатический анализ положения маркеров на хромосомах ржи (номер сборки генома в базе GenBank – GCA_902687465.1) производился с использованием программ: Ipcress (из пакета Exonerate версии 2.4.0) и Blastn версии 2.12.0. Расположение мутаций sy1, sy9, sy10, sy18 и sy19 на хромосомах ржи и наиболее вероятные гены-кандидаты приведены на рис. 1.

Рис. 1.

Локализация мутаций sy1, sy9, sy10, sy18 и sy19 на хромосомах ржи. В прямоугольных рамках – предполагаемые гены-кандидаты для этих мутаций.

Ранее было показано, что у гомозигот по мутации sy1 наблюдается комплекс нарушений в ходе мейоза, в частности: в профазе I формируются только осевые элементы хромосом, отсутствует синаптонемный комплекс (СК), на стадии метафазы I мейоза в 96.8% случаев наблюдаются только униваленты, белок Asy1 выявлялся в виде непрерывных линейных сигналов вдоль каждой хромосомы [7].

Результаты хромосомного картирования мутанта sy1 показали, что наиболее вероятным геном-кандидатом в этом случае является ген, кодирующий Mei2-подобный белок (Mei2-like protein 6). Ранее у арабидопсиса было выявлено пять генов, относящихся к семейству Arabidopsis-mei2-Like (AML), мутации в которых приводят к нарушениям синапсиса, образованию унивалентов, фрагментации хромосом и формированию ацентриков [8]. Mei2-подобные белки содержат уникальный домен RRM, который отвечает за связывание с РНК [9], предполагается, что они могут как напрямую посттранскрипционно регулировать активность генов, так и быть вовлеченными в организацию и ремоделинг хроматина. Это согласуется с раннее полученными данными о том, что у мутанта sy1 отсутствуют ранние ферменты рекомбинации Rad51/Dmc1 [10], что может быть связано с нарушениями на уровне посттранскрипционной регуляции соответствующих генов. Было показано, что белок Mei2 является главным регулятором мейоза у Schizosaccharomyces pombe, а гены, кодирующие его ортологи, были обнаружены у разных групп эукариот, поэтому считается, что MEI2-подобные гены возникли на ранних этапах эволюции эукариот [9]. Сравнение аминокислотных последовательностей белков Mei2-like protein 6 риса, кукурузы, пшеницы и ржи показывает, что наибольшая степень сходства между белками наблюдается именно в области С-терминального домена RRM, специфичного для Mei2-подобных белков (166–274 а.к. белка Mei2-like protein 6 ржи).

Асинаптический мутант sy9 был схож с мутантом sy1 по цитологической картине нарушений в мейозе, однако у мутанта sy9 в 90% клеток белок Asy1 отсутствовал, в отличие от мутанта sy1 [11]. Анализ генов-кандидатов для мутанта sy9 выявил ген MAD2, продукт которого участвует в контроле клеточного цикла. У кукурузы белок MAD2 локализуется во внешней части мейотического кинетохора [12], для его гомолога у нематоды С. elegans была показана роль в регуляции мейотического синапсиса [13]. Белок MAD2 вместе с белками Bub1, Bub3, Cdc20 образует комплекс, контролирующий соединение кинетохор с микротрубочками веретена деления. MAD2 играет ключевую роль в сборке этого комплекса благодаря домену HORMA, впервые обнаруженному у белков HOP1, REV7 и MAD2. Домен HORMA взаимодействует с осевыми элементами хромосом, а также участвует в образовании белковых гомо- и гетеродимеров [14]. Белок Asy1 относится к тому же семейству белков, содержащих HORMA-домен, что и MAD2 [15]. Сравнение аминокислотных последовательностей белков MAD2 риса, кукурузы, пшеницы и ржи показало практически полную их идентичность, что говорит о принципиальной важности этого белка для функционирования мейоцитов растений.

Предшествующий анализ показал, что мутации sy10, sy18 и sy19 вызывают частично негомологичный синапсис и варьирующее число унивалентов в метафазе I. У мутанта sy10 белки Asy1 и Zyp1 образуют линейные треки, однако трехслойная структура СК не образуется, и синапсис проходит гетерологично [11]. У мутанта sy19 вдоль хромосом наблюдается прерывистый сигнал белка Asy1 [16]. Мутанты sy10 и sy18, как мы предполагаем, несут мутации в генах BUB3.3 и BUB3.1 соответственно. Белки BUB3.3 и BUB3.1 арабидопсиса взаимодействуют с белком MAD2 [17], у нематоды С. elegans была показана их роль в комплексе с белком МAD2 в регуляции синапсиса [18]. Эти белки содержат мотивы WD40, принципиальные для белок-белковых взаимодействий. Точковые мутации в консервативном мотиве WD40 дрожжевого Bub3 нарушают его ассоциацию с Mad2, Mad3 и Cdc20 [19].

В качестве гена-кандидата для мутанта sy19 нами был выбран ген Meiosis 5, продукт которого гомологичен белкам WM5 пшеницы и PDF1 арабидопсиса. У пшеницы этот ген экспрессируется на ранних стадиях мейоза, однако его роль в формировании синапсиса пока не изучена. Делеция одной из копий этого гена у пшеницы приводит к повышенному гомеологическому спариванию хромосом при межвидовом скрещивании [20]. Анализ аминокислотных последовательностей белков Mei5 из разных видов злаков выявил характерную последовательность, состоящую из остатков глицина, однако ее функциональная роль в настоящее время остается неизвестной.

Синапсис гомологичных хромосом в процессе мейотического деления является основой для генетической рекомбинации и сбалансированного расхождения хромосом в анафазе I. Нормальное протекание этих процессов зависит, в том числе, от правильного взаимодействия центромерных и теломерных областей хромосом. Изучение мутантов ржи, у которых в ходе мейоза наблюдаются различные нарушения, выявило ряд генов, продукты которых могут как посттранскрипционно регулировать активность генов, так и быть вовлеченными в организацию и ремоделинг хроматина, а также контролировать соединение кинетохор с микротрубочками веретена деления.

Работа выполнена в рамках госзадания ИОГен РАН (тема № 0092-2022-0002).

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта животных.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием в качестве объекта людей.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.