Studie wirft Licht auf „Schwarze Löcher“ im Arabidopsis-Genom

Studie wirft Licht auf „Schwarze Löcher“ im Arabidopsis-Genom

LA JOLLA – Salk-Wissenschaftler haben in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Cambridge und der Johns Hopkins University das Genom der weltweit am häufigsten verwendeten Modellpflanzenart sequenziert. Arabidopsis thaliana, in einem nie zuvor erreichten Detaillierungsgrad. Die Studie, veröffentlicht in Forschung am 12. November 2021 enthüllt die Geheimnisse von Arabidopsis Chromosomenregionen, sogenannte Zentromere. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Evolution der Zentromere und geben Einblicke in das genomische Äquivalent von Schwarzen Löchern.

„Vor etwas mehr als 20 Jahren Arabidopsis „Das Genom wurde veröffentlicht und es ist seitdem das Goldstandard-Pflanzengenom, das zu erstaunlichen Fortschritten von Modellen bis hin zu Nutzpflanzen geführt hat“, sagt er Todd Michael, Forschungsprofessor am Labor für Pflanzenmolekular- und Zellbiologie. „Unsere neue Baugruppe löst die letzten fehlenden Teile des Genoms und ebnet den Weg für spannende Forschungen zur Chromosomenarchitektur und -entwicklung, die für unsere Bemühungen, Pflanzen zu entwickeln, um den Klimawandel in Zukunft zu bekämpfen, von entscheidender Bedeutung sein wird.“

Arabidopsis thaliana wurde aufgrund ihrer kurzen Generationszeit, ihrer geringen Größe, ihres einfachen Wachstums und ihrer produktiven Samenproduktion durch Selbstbestäubung als Modellpflanze übernommen. Aufgrund seines schnellen Lebenszyklus und seines kleinen Genoms eignet es sich gut für die Genforschung und die Kartierung von Schlüsselgenen, die die Grundlage für interessante Merkmale bilden. Sie hat zu zahlreichen Entdeckungen geführt und war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom sequenziert wurde. Diese anfängliche Genomfreisetzung war in den Chromosomenarmen, in denen sich die meisten Gene befinden, von ausgezeichnetem Standard, war jedoch nicht in der Lage, die sich stark wiederholenden und komplexen Regionen zusammenzusetzen, die als Zentromere, Telomere und ribosomale DNA bekannt sind. Aufgrund der Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie konnten diese anspruchsvollen Regionen nun erstmals zusammengestellt werden.

Die Studie ist die erste, die erfolgreich eine Long-Read-Sequenzierung und -Assemblierung durchführt Arabidopsis thaliana Zentromere. Seit der ersten Sequenzierung des Genoms im Jahr 2000 haben sich die Long-Read-Sequenzierungstechnologien weiterentwickelt und ermöglichen es Forschern, das Genom in mehr als 100,000 Nukleotidstücken statt in 100–200 Nukleotidstücken zu sehen. Diese Daten, kombiniert mit algorithmischen Fortschritten, die die Lesevorgänge zusammensetzen, bedeuten, dass das „Genom-Puzzle“ nun plötzlich vollständig ist.

„Die Zentromere gehören zu den interessantesten, aber auch am schwierigsten zu analysierenden Regionen des Genoms – sie sind wie ein endloser ‚blauer Himmel‘ innerhalb eines Puzzles“, sagt Mitautor Professor Mike Schatz von der Johns Hopkins University . „Glücklicherweise ermöglichen Fortschritte in der Sequenzierung gepaart mit Fortschritten bei den Computermethoden für den Genomzusammenbau jetzt die genaue Zusammenstellung selbst der anspruchsvollsten Sequenzen“, wie etwa der genetischen Ausstattung des Zentromers.

Seit Jahrzehnten versuchen Forscher das Paradoxon zu verstehen, wie und warum sich zentromere DNA mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit entwickelt und gleichzeitig stabil genug bleibt, um ihre Aufgabe während der Zellteilung zu erfüllen. Im Gegensatz dazu entwickeln sich andere alte Teile der Zelle, die ihre Rollen beibehalten haben, wie etwa Ribosomen, die Proteine ​​aus mRNA herstellen, tendenziell sehr langsam. Doch trotz seiner konservierten Rolle bei der Zellteilung ist das Zentromer der sich am schnellsten entwickelnde Teil des Genoms. Diese Studie enthüllt die genetische und epigenetische Topographie von Arabidopsis Zentromeren markiert einen entscheidenden Wandel in unserem Verständnis dieses Paradoxons.

Im Rahmen der Studie liefern die erstellten Zentromerkarten neue Einblicke in das „Wiederholungsökosystem“ im Zentromer. Die Karten offenbaren die Architektur der Wiederholungsarrays, was Auswirkungen auf deren Entwicklung sowie auf das Chromatin und die epigenetischen Zustände der Zentromere hat. In Zukunft wollen die Wissenschaftler diese Karten als Grundlage nutzen, um zu verstehen, wie und warum sich Zentromere so schnell entwickeln.

„Es ist fantastisch, zum ersten Mal in die Zentromere blicken zu können und dies zu nutzen, um ihre ungewöhnlichen Evolutionsweisen zu verstehen“, sagt Mitautor Professor Ian Henderson vom Department of Plant Sciences der University of Cambridge.

Als Nächstes werden die Wissenschaftler versuchen, diesen Ansatz zur Kartierung von Zentromeren verschiedener Arten zu nutzen Arabidopsis Arten und letztendlich in weiten Teilen der gesamten Pflanze.

Weitere Autoren sind Bradley W. Abramson, Nolan Hartwick und Kelly Colt von Salk; Matthew Naish, Piotr Wlodzimierz, Andrew J. Tock, Christophe Lambing, Pallas Kuo und Natasha Yelina von der University of Cambridge; Michael Alonge von der Johns Hopkins University; Anna Schmücker, Bhagyshree Jamge und Frédéric Berger von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften; Terezie Mandáková und Martin A. Lysak von der Masaryk-Universität in der Tschechischen Republik; Lisa Smith und Jurriaan Ton von der University of Sheffield; Tetsuji Kakutani von der Universität Tokio; Robert A. Martienssen vom Howard Hughes Medical Institute; Korbinian Schneeberger von der LMU München; und Alexandros Bousios von der University of Sussex.

Die Finanzierung erfolgte durch Zuschüsse und Auszeichnungen des UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council, des European Research Council, des Marie Curie International Training Network, des Human Frontier Science Program, der National Institutes of Health, der National Science Foundation, der Royal Society, die Tschechische Wissenschaftsstiftung, das Gregor-Mendel-Institut, der Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF), der Leverhulme Trust und das Howard Hughes Medical Institute.

Gepostet mit freundlicher Genehmigung von Abteilung für Pflanzenwissenschaften der Universität Cambridge.

DOI: 10.1126/science.abi7489