Kontrola crossing-over poprzez białko MSH2 wykrywające nieprawidłowo dopasowane pary zasad DNA w odpowiedzi na wzór chromosomowej heterozygotyczności u Arabidopsis thaliana
Loading...
Date
2023
Authors
Advisor
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Crossover control by mismatch detection protein MSH2 in response to the chromosome heterozygosity pattern in Arabidopsis thaliana
Abstract
Podczas mejozy chromosomy homologiczne łączą się w pary i wzajemnie wymieniają materiałem genetycznym w procesie zwanym crossing-over lub rekombinacją mejotyczną. Crossing-over jest ważne dla generowania nowych kombinacji alleli, a co najmniej jedno crossing-over na biwalent jest niezbędne do zapewnienia właściwej segregacji chromosomów w mejozie. Co więcej, rozmieszczenie zdarzeń crossing-over nie jest przypadkowe, a ich liczba jest limitowana – na jedną parę chromosomów podczas mejozy przypada tylko około 2-3 crossing-over, niezależnie od fizycznej wielkości genomu. Jednym z czynników wpływających na rozmieszczenie rekombinacji jest polimorfizm pomiędzy chromosomami homologicznymi. Obecność regionu heterozygotycznego obok regionu homozygotycznego na tym samym chromosomie powoduje redystrybucję crossing-over do regionu polimorficznego. Pokazałam, że ów efekt zestawienia heterozygotyczności in cis (ang. heterozygosity juxtaposition effect), zależy od aktywności białka MSH2, kluczowego elementu systemu naprawy nieprawidłowo sparowanych zasad DNA. Moje wyniki wykazują stymulującą rolę MSH2 w tworzeniu crossing-over klasy I. Dzięki całogenomowej analizie crossing-over w mieszańcach z mutacją msh2 wykazałam, że rekombinacja jest redystrybuowana z wysoce polimorficznych regionów okołocentromerowych do mniej polimorficznych regionów przytelomerowych. Interferencja genetyczna nie uległa zmianie w mutancie msh2 w liniach wsobnych i mieszańcowych. Korzystając z panelu linii Arabidopsis thaliana znakowanych fluorescencyjnie (ang. fluorescent-tagged line, FTL) wykazałam, że wzór rekombinacji jest w znacznej mierze podobny między liniami wsobnymi i mieszańcami, jednak obecność regionu heterozygotycznego na w innym wypadku homozygotycznym chromosomie przekierowuje zdarzenia crossing-over do regionu heterozygotycznego. Wzrost rekombinacji obserwuje się głównie w pobliżu granicy pomiędzy regionem heterozygotycznym i homozygotycznym, podczas gdy spadek zdarzeń crossing-over w części homozygotycznej obejmuje cały ten region. Protokół opisujący wykorzystanie FTL w pomiarach częstotliwości rekombinacji również stanowi część mojej rozprawy doktorskiej. Zdarzenia crossing-over klasy II są wrażliwe na obecność polimorfizmu i z tego powodu nie są wydajnie formowane w regionach heterozygotycznych. W mieszańcach, w których aktywna jest wyłącznie klasa II (podwójny mutant fancm zip4) przyczyną obniżonej płodności jest niedobór crossing-over. Poprzez dodatkową inaktywację MSH2 zwiększyłam płodność roślin. Co więcej, moje całogenomowe analizy crossing-over w tle różnych mutantów, w tym w msh2 fancm i msh2 recq4, w połączeniu z pomiarami częstości rekombinacji przy użyciu FTL ujawniły, że MSH2 ogranicza zachodzenie crossing-over klasy II. MSH2 wykazuje więc przeciwstawne działanie w dwóch szlakach crossing-over. W regionach około-centromerowych, które są znacznie bardziej polimorficzne niż reszta chromosomu, inaktywacja MSH2 nie spowodowała zwiększenia częstości crossing-over klasy II w regionach heterozygotycznych. To pokazuje, że polimorfizm może mieć również niezależny od MSH2 wpływ na rekombinację. Ponadto, nadekspresja pro-rekombinacyjnego czynnika HEI10 spowodowała znaczny wzrost rekombinacji we wszystkich testowanych wariantach heterozygotyczności, z wciąż obecną tendencją regionów heterozygotycznych do stymulowania zdarzeń crossing-over. Wykazałam, że w msh2 HEI10-OE rekombinacja jest zwiększona globalnie z powodu promowania klasy I przez HEI10, jednak nie obserwuje się efektu zestawienia heterozygotyczności in cis. Co więcej, w wariancie msh2 fancm zip4 HEI10-OE nie wykryto stymulowania crossing-over przez HEI10, co dowodzi, że HEI10 nie odgrywa żadnej roli w klasie II. Podsumowując, wykazałam pro-rekombinacyjną rolę MSH2 dla crossing-over klasy I oraz antagonistyczną, anty-rekombinacyjną rolę dla crossing-over klasy II. Moja praca pokazuje, że MSH2 jest głównym regulatorem dla obu szlaków crossing-over, co pozwala na dynamiczną regulację rekombinacji mejotycznej, w zależności od poziomu i rozkładu heterozygotyczności pomiędzy chromosomami homologicznymi.
During meiosis, homologous chromosomes pair and reciprocally exchange genetic material in a process called crossover or meiotic recombination. Crossover is important for generating new allele combinations and at least one crossover per bivalent is necessary to ensure proper chromosome segregation in meiosis. Moreover, crossover placement is not random and its numbers are limited – there are only about 2-3 crossovers per chromosome pair per meiosis, regardless of the physical size of the genome. One of the factors influencing recombination pattern is interhomolog polymorphism. The presence of heterozygous region juxtaposed to homozygous region on the same chromosome, causes a redistribution of crossovers into the polymorphic region. I showed that this heterozygosity juxtaposition effect depends on the activity of MSH2 protein, key element of mismatch repair system. My results demonstrate MSH2 stimulating role in the formation of Class I crossovers. With genome-wide crossover mapping in msh2 hybrids, I was able to show that recombination is redistributed from highly polymorphic pericentromeres into less polymorphic subtelomeric regions. Genetic interference was not changed in msh2 inbred and hybrid lines. By using a panel of Arabidopsis thaliana fluorescence-tagged lines (FTLs), I showed that recombination landscape is mostly similar between inbred and hybrid lines, however the presence of heterozygous region on an otherwise homozygous chromosome, redirects crossover events into the former. The increase in heterozygous region is mostly observed close to the heterozygous-homozygous regions boarder, whilst decrease in homozygous part spans the entire region. The protocol for FTL use in crossover rate measurements is also included in this dissertation. Class II crossovers are polymorphism-sensitive and cannot be efficiently formed in heterozygous regions. In hybrids exhibiting only Class II (fancm zip4 double mutant), crossover scarcity is the reason for reduced fertility. By additionally inactivating MSH2, I was able to increase plant fertility. Moreover, my genome-wide crossover analysis in different mutant contexts, including msh2 fancm and msh2 recq4, combined with FTL crossover frequency measurements, revealed that MSH2 limits Class II crossovers. Hence, MSH2 has opposite roles in two crossover pathways. In pericentromeric regions, which are much more polymorphic than the rest of the chromosome, MSH2 inactivation was not able to increase Class II crossovers frequency in heterozygous regions. This shows MSH2-independent polymorphism impact on recombination. Finally, the overexpression of pro-crossover HEI10 caused significant increase in recombination in all tested heterozygosity variants, with a trend of heterozygous regions attracting crossovers still present. I showed, that in msh2 HEI10-OE total recombination is increased because of HEI10 promoting Class I, however no juxtaposition effect is observed. What is more, no HEI10 stimulation is detected in msh2 fancm zip4 HEI10-OE variant, proving that HEI10 has no role in Class II. To sum up, I showed pro-recombination role of MSH2 for Class I crossovers and an antagonistic, anti-recombination role for Class II crossovers. Therefore, this work demonstrates that MSH2 is a master regulator of both crossover pathways, which allows for dynamic regulation of meiotic recombination outcomes, depending on the level and distribution of sequence divergence between homologs.
Description
Wydział Biologii
Sponsor
The work included in the dissertation was supported by the following sources:
1. National Science Centre SONATA BIS grant 2016/22/E/NZ2/00455.
2. National Science Centre PRELUDIUM 19 grant 2020/37/N/NZ2/01226.
3. EMBO Installation Grant EMBC CEMB/05/17.
4. The European Union: Passport to the future - Interdisciplinary doctoral studies at the Faculty of Biology, Adam Mickiewicz University. POWR.03.02.00-00-I022/16.
5. Faculty of Biology Dean’s Grant GDWB-05/2019.
Keywords
mejoza, crossing-over, polimorfizm, MSH2, Arabidopsis, meiosis, crossover, polymorphism