Jedno od najintrigantnijih pitanja u staničnoj biologiji jest paradoks centromere, koji se odnosi na nesklad između ključne uloge centromere u diobi stanice i njezine brze evolucije. Dosadašnja istraživanja evolucije centromera uglavnom su se fokusirala na vrste koje se razmnožavaju spolnim putem, kod kojih centromere imaju ulogu u objema vrstama stanične diobe – mitozi i mejozi. Međunarodni tim znanstvenika, predvođen dr. sc. Nevenkom Meštrović s Instituta Ruđer Bošković (IRB), usporedio je organizaciju centromera kod šest vrsta nespolnih holocentričnih nematoda s različitim načinima razmnožavanja te otkrio različite evolucijske obrasce kod vrsta koje se razmnožavaju mitozom u odnosu na one koje se razmnožavaju mejozom. Ovo je istraživanje objavljeno u zbirci „Centromere Structure and Evolution” u časopisu Genome Biology (5yIF 13,7), jednom od najutjecajnijih časopisa u području biologije.

Stanična dioba, putem mitoze i mejoze, temeljna je za rast, razvoj i reprodukciju svih živih organizama. Dok mitoza osigurava preciznu diobu kromosoma u somatskim stanicama, mejoza kreira haploidne reproduktivne stanice. Oba procesa ovise o centromerama – specijaliziranim kromosomskim regijama ključnim za preciznu diobu kromosoma. Unatoč vitalnoj ulozi centromere u ovim procesima, poznato je da centromere brzo evoluiraju, tj. da se njihova DNK i proteini brzo mijenjaju.

„Međutim, naše prethodno istraživanje, objavljeno u časopisu Molecular Biology and Evolution, osporilo je ovo tradicionalno gledište, pokazujući da su centromere u aseksualnim, mitotičkim nematodama konzervirane među različitim vrstama. Nadovezujući se na ovo otkriće, ova studija istražuje kako  centromere evoluiraju u nespolnim mitotičkim naspram mejotičkim nematodama kako bismo razumjeli utječu li ove različite reproduktivne strategije na organizaciju centromera. Zanimljivo je da smo otkrili da mitotičke vrste doživljavaju značajno širenje centromera, vjerojatno potaknuto transpozonima- često nazvanim 'genima skakačima' - dok mejotičke vrste pokazuju samo ograničeno raspršivanje centromera bez utjecaja transpozona. Ovi uvidi bacaju novo svjetlo na temeljne procese evolucije centromera“, kaže dr. Nevenka Meštrović.

Modelni organizmi

Očuvanost proteinskih i genetskih komponenti kod međusobno udaljenih vrsta nematoda s mitotičkim načinom diobe iz naše prijašnje studije potiče pitanje razlikuje li se organizacija and evolucija centromera između vrsta s mitotičkim i onih s mejotičkim načinom reprodukcije. Ove nematode idealni su model organizmi jer neke od njih su isključivo mitotski, a dok druge provode i mejozu. Ova karakteristika omogućuje izravnu usporedbu utjecaja načina razmnožavanja na organizaciju i evoluciju centromera. Istraživanjem ovih vrsta stekli smo jedinstven uvid u utjecaj mitoze i mejoze na organizaciju i evoluciju centromera. Za ovo istraživanje bili su potrebni vjerodostojni sekvencirani genoma te razvoj novih računalnih algoritama za analizu složenih, repetitivnih regija centromera među ovim genomima.

Razvoj genomskih alata

Sastavljanje sekvenci centromera povijesno je zahtjevno zbog njihove repetitivne prirode, no novije tehnologije sekvenciranja dugih očitanja (engl. *long-read sequencing*) donijele su revoluciju u tom području. Za našu su analizu bili ključni ovakvi visokokvalitetni sekvencirani genomi koji su uključivali i centromeru. Zahvaljujući suradnji s institutima INRA (Francuska) i UC Davis (SAD), dobili smo pristup sastavljenim genomima ovih vrsta i prije nego što su postali javno dostupni, budući da smo izravno sudjelovali u procesu njihova sastavljanja. Rezultati sastavljanja tih genoma objavljeni su u časopisima Nature Communications i PLOS Pathogens .

„Osim samog sastavljanja cjelovitih genoma koji uključuju i centromeru, suočili smo se također s izazovom razvoja algoritama za preciznu usporedbu složene organizacije centromera među različitim genomima. Analizirali smo šest vrsta u kojima centromere mogu činiti i do 10 % ukupnog genoma, što je zahtijevalo obradu velikih i iznimno složenih regija. Razvili smo novi računalni postupak za linearnu usporedbu visoko repetitivnih centromera te prvi put primijenili analizu Markovljevim lancima za proučavanje njihove organizacije. Taj inovativni pristup omogućio je vizualizaciju složenih struktura centromera i ima široku primjenu i na drugim organizmina”, pojasnili su dr. sc. Evelin Despot Slade i Marin Volarić, prvi autori studije.

„Geni skakači” i evolucija centromera

Jedno od najintrigantnijih pitanja u staničnoj biologiji jest što potiče tu brzu evoluciju centromera i koji mehanizmi upravljaju stvaranjem i širenjem centromere. Dosadašnja istraživanja centromera uglavnom su se usredotočila na spolne vrste, kod kojih ista centromera ima ulogu i u mitozi i u mejozi.

Većina istraživanja bila je usmjerena na spolne vrste, no naš rad usmjerava pozornost na nespolne nematode. Usporedili smo genome šest nespolnih vrsta nematoda i potvrdili da su centromere mitotičkih i mejotičkih vrsta epigenetski i genetski određeni. Međutim, otkrili smo da kod vrsta s ekskluzivno mitotičkom diobom u amplifikaciji centromernih jedinica posreduju neautonomni transpozoni, dok daljnje širenje potiču autonomni „geni skakači”, što rezultira složenim, povećanim i raspršenim centromerama. S druge strane, kod vrsta s mejotičkom diobom izostaje povezanost s transpozonima, što ograničava širenje centromera i upućuje na to da mejoza djeluje kao supresor širenja centromera i da su transpozoni glavni akteri širenja centromera. Ovo istraživanje po prvi put utvrđuje jasnu vezu između načina razmnožavanja te organizacije i evolucije centromera”, objašnjava dr. sc. Nevenka Meštrović.

Značajan iskorak u razumijevanju evolucije centromera

Ova studija pruža važne nove spoznaje o evoluciji centromera, s implikacijama koje nadilaze temeljnu biologiju i sežu u područja poput suzbijanja nematoda nametnika na biljkama te u područje genomike tumora. Proučavanje sastavnica centromera u nestandardnim modelnim organizmima ključno je za razumijevanje raznolikosti, općih načela i evolucijske dinamike odrednica centromera.

Kada je riječ o suzbijanju nematoda nametnika na biljkama, spoznaje o evoluciji centromera mogle bi pomoći u boljem razumijevanju iznimne uspješnosti i prilagodljivosti nematoda korijenovih kvržica. Širenje centromera, utvrđeno u ovom radu, osigurava ovim vrstama veću genomsku fleksibilnost, i tako pomažući im u prilagodbi na različite domaćine i okoliše može potencijalno utjecati na razvoj nove strategije suzbijanja nametnika.

U istraživanju raka dobro je poznato da disfunkcija centromera može uzrokovati kromosomsku nestabilnost, jedno od glavnih obilježja raka. Proučavanje evolucije centromera na jedinstvenim modelima nematoda moglo bi otkriti kako transpozoni i širenje centromera pridonose kromosomskim rearanžmanima, nudeći pritom nove uvide u moguće uzroke genomske nestabilnosti kod raka.

O istraživačkom timu

Studija je provedena na Institutu Ruđer Bošković (IRB), u Laboratoriju za nekodirajuću DNA (LND), a financirana je sredstvima Hrvatske zaklade za znanost (HRZZ) u sklopu projekta „Genomika i epigenomika holocentromera u nematodama roda Meloidogyne”, koji vodi Nevenka Meštrović. Glavne autorice i autori su Evelin Despot Slade i bivši doktorand Marin Volarić, uz dopisnu autoricu Nevenku Meštrović. Suradnici s IRB-a su viša znanstvena suradnica Brankica Mravinac i poslijedoktorandica Damira Veseljak (obje iz LND-a) te ekspert za mikroskopiju Lucija Horvat. Međunarodna suradnja ostvarena je s grupom Etienne Danchin s instituta INRA u Francuskoj.