Funcția genomică străveche persistă în ciuda mutațiilor frecvente, arată un studiu asupra centromerilor
Centromerii sunt regiuni specializate ale cromozomilor care joacă un rol esențial în diviziunea celulară, servind drept punct de atașare pentru mecanismul celular care trage cromozomii către celulele fiice. Această funcție a apărut foarte devreme în evoluția eucariotelor și s-a păstrat timp de aproape două miliarde de ani. Cu toate acestea, secvențele de ADN care stau la baza centromerilor au evoluat într-un ritm extraordinar de rapid, o contradicție cunoscută în biologie sub numele de „paradoxul centromerului”.
Un studiu publicat în revista Nature, condus de profesorul Korbinian Schneeberger, director al Institutului de Biologie a Plantelor Cultivate de la Universitatea Heinrich Heine din Düsseldorf, împreună cu Xiao Dong, cercetător doctoral la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Plantelor din Köln, a analizat modul în care mutațiile relativ mici pot genera diferențe enorme între centromeri.
Cercetătorii au folosit planta model Arabidopsis thaliana pentru a investiga direct mutațiile care apar în centromeri de la o generație la alta. Studiul a arătat că centromerii prezintă un model caracteristic de mutație: mutațiile punctuale, care afectează un singur nucleotid, apar la o rată de aproape zece ori mai mare decât în brațele cromozomilor. De asemenea, inserțiile și delețiile sunt frecvente, implicând de obicei sute până la câteva mii de litere de ADN.
La Arabidopsis, centromerii sunt formați în mare parte dintr-o secvență de bază de aproximativ 178 de litere, repetată de mii de ori. Inserțiile și delețiile nou identificate adaugă sau elimină aproape întotdeauna copii complete ale acestor unități repetitive, menținând astfel arhitectura repetitivă a centromerului.
„Centromerii sunt mult mai dinamici decât s-ar putea aștepta pentru o regiune a genomului cu o funcție atât de esențială”, a declarat Xiao Dong, primul autor al studiului. „În același timp, mutațiile sunt remarcabil de structurate: alterează centromerul păstrându-i organizarea repetitivă de bază.”
Cercetătorii au fost interesați în special de una dintre cele mai izbitoare caracteristici ale centromerilor: ADN-ul repetitiv este organizat în blocuri vaste, uneori de milioane de litere de ADN, ale căror repetări sunt foarte similare. Aceste blocuri pot diferi drastic între indivizi.
„Se credea anterior că structuri de această dimensiune necesită mutații mari sau rearanjamente pe distanțe lungi pentru a se forma. Studiul nostru arată că nu este cazul”, a afirmat Schneeberger, autorul senior al studiului.
Cercetătorii au demonstrat acest lucru prin simulări în care au modelat evoluția centromerilor pe mii de generații, folosind rate și tipuri de mutație măsurate experimental. În simulări, mutațiile relativ mici, care afectează în mare parte doar câteva mii de litere de ADN, au generat treptat blocuri mari cuprinzând sute de mii până la milioane de litere de ADN, similare structurilor găsite în centromerii naturali.
„Această diferență de scară este remarcabilă”, a spus Dong. „În centromerii naturali, putem vedea modele vaste care se întind pe milioane de litere de ADN. Ele nu au apărut însă ca rezultat al unor schimbări la fel de enorme, ci prin acumularea multor mutații relativ mici.”
Profesorul Detlef Weigel de la Institutul Max Planck pentru Biologie din Tübingen a declarat: „De când am început să studiem ratele spontane de mutație la plante acum aproape 20 de ani, ne-am întrebat dacă diferite părți ale genomului mută în moduri diferite. Acest studiu arată că centromerii sunt într-adevăr diferiți. Dinamica lor mutațională neobișnuită ajută la explicarea motivului pentru care centromerii ies atât de pregnant în evidență când comparăm genomurile diferiților indivizi și populații.”
Schneeberger a concluzionat: „Munca noastră conectează două scări evolutive foarte diferite: mutațiile locale care apar de la o generație la alta și diferențele enorme dintre centromeri care au apărut de-a lungul a mii de generații de evoluție.”
