Большая часть генома растений представляет собой мобильные элементы, или транспозоны, и их остатки. Транспозоны стали частью генома много миллинонов лет назад и встречаются как в ДНК эукариот, так и прокариот. Некоторые из сотен тысяч копий транспозонов генома растений сохранили свою активность до наших дней и могут осуществлять транспозицию (менять место в геноме). Транспозиция приводит к инсерции транспозона в новое место генома. Считалось, что эти события - это всего лишь часть паразитического жизненного цикла транспозона и большинство инсерций имеют негативные последствия для жизни растения-хозяина. Но, оказалось, что именно новые инсерции являются одним из главных драйверов как для эволюции "некультурных" видов растений, так и для появления важных признаков сельскохозяйственных растений. 

В своей работе, опубликованной в Journal Of Integrative Plant Biology (IF = 11.4), сотрудники лаборатории маркерной и геномной селекции ВНИИСБ (заведующий лабораторией - Киров И.В.), лаборатории системной геномики и мобиломики растений МФТИ (Физтех) (заведующий лабораторией - Киров И.В.), Курчатовского геномного центра - ВНИИСБ (руководитель - Дивашук М.Г.), а также лаборатории индуцированного рекомбиногенеза (ВНИИСБ, заведующий лабораторией - Комахин Р.А.) разработали новый метод для целевого секвенирования инсерций транспозонов в геноме растений, CANS, и соответствующую биоинформатическую программу, NanoCasTE. Алгоритм NanoCasTE нацелен на поиск химерных ридов нанопорового секвенирования, которые содержат как инсерцию транспозона, так и часть референсного генома. Для этого сначала все риды сравниваются (картируются) с референсным геномом. Химерные риды не полностью картируются на геном и это их выдаёт. А затем, учитывая знание о положении известных транспозонов в геноме и специальные биоинформатические фильтры, которые повышают точность анализа, происходит определение сайтов нереференсных инсерций (это такие инсерции, которые есть в изучаемом растении, но их нет в референсном геноме).

Учёные доказали эффективность работы нашего подхода для поиска инсерций не только транспозонов, но и Т-ДНК в ГМО растениях. При этом место инсерции в геноме мбыло детектировано уже после нескольких частей от начала секвенирования.

Благодаря высокой чувствительности метода, учёные смогли детектировать как генетически унаследованные, так соматические (возникают в отдельных клетках дифференцированных тканей, например, в листе) инсерции транспозонов. Это позволило впервые оценить распределение инсерций в геноме практически без влияния естественного отбора. Результаты показали, что некоторые мобильные элементы "выбирают" место инсерции в геноме неслучайно. Продемонстрировали это, используя стрессовые условия для активации мобильных элементов, а также мутантные линии Arabidopsis thaliana с нарушенным метилированием ДНК. В результате интегрирования разных геномных, эпигеномных и транскрипционных (RNAseq) данных, было доказано, что метилирование и экспрессия оказывают существенное влияние на вероятность инсерции в данный локус генома. Полученные сведения - это ещё одно прямое подтверждение неслучайности возникновения мутаций в геноме.

Разработанные инструменты позволят в дальнейшем легче отслеживать перемещение и активность транспозонов растений, а значит лучше понять мутагенную активность транспозонов. Это, в свою очередь, послужит фундаментом для искусственного использования мутагенного потенциала транспозонов в создании новых перспективных форм сельскохозяйственных растений.

Работа была выполнена при финансовой поддержки гранта Российского Научного Фонда (20-74-10055) и гранта Курчатовского геномного центра - ВНИИСБ (№075-15-2019-1667).