Kertas yang menggambarkan penemuan tentang peran gen yang penting dalam binatang, tanaman, dan jamur diterbitkan dalam edisi 20 Juli 2004 jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences.
Salah satu penemuan adalah bahwa gen, bernama RAD51, memainkan peran penting dalam proses penggabungan kembali materi genetik dalam kromosom selama reproduksi seksual pada tanaman. Pada manusia, cacat dalam proses ini dapat menyebabkan janin memiliki jumlah kromosom yang mengakibatkan infertilitas, keguguran atau cacat lahir yang abnormal. Penemuan-penemuan baru tentang gen peran dalam tanaman menyarankan bahwa juga mungkin memiliki peran penting dalam produksi sperma dan telur sel pada manusia dan mamalia lainnya.
Salah satu hasil yang paling mengejutkan penelitian adalah gen RAD51 tidak penting bagi kelangsungan hidup dalam tanaman, seperti yang dikenal di mamalia. "Hal ini juga diketahui bahwa mouse janin yang mewarisi dua salinan cacat gen RAD51 akan mati segera setelah kehamilan, jadi kami sangat terkejut menemukan bahwa tanaman kami mutan, yang memiliki dua salinan cacat gen ini, mengembangkan cukup biasanya--kecuali-yang steril," laporan Hong Ma, Profesor biologi di Penn State University dan pemimpin tim penelitian yang membuat penemuan bekerjasama dengan kelompok Bernd Reiss di Max Planck Institute untuk pemuliaan di Cologne, Jerman.
Tim kerja mengungkapkan fungsi protein produk gen RAD51, termasuk pasangan kromosom yang kompatibel - struktur yang mengandung gen sel--selama proses meiosis, ketika organisme reproduksi sel membentuk selama perkembangannya, dan juga memperbaiki istirahat dalam kromosom yang terjadi selama ini dan proses lain. "Penelitian kami membawa kita untuk menduga bahwa tanaman sel perbaikan istirahat DNA mereka dalam cara yang berbeda dari sel-sel Mamalia, yang hanya berhenti tumbuh jika gen RAD51 tidak berfungsi," Ma mengatakan.
Meiosis menghasilkan sel-sel reproduksi seksual, seperti sel-sel sperma dan telur sel, yang berisi hanya tunggal untai masing-masing jumlah organisme karakteristik kromosom. Kemudian, ketika dewasa sperma dan telur sel menggabungkan, individu baru akan memiliki DNA - setengah dari ibu dan setengah dari Bapa yang lengkap. Banyak tim penelitian berfokus pada mengacak bahan genetika antara dua kromosom yang serupa, yang terjadi selama meiosis ketika kromosom terdampar ganda dalam inti sel menarik terpisah dan dibawa bersama-sama lagi dua kali oleh tim protein, mengakibatkan empat laki-laki atau perempuan reproduksi sel baru.
Para peneliti melakukan studi mereka dengan galur mutan tumbuhan model laboratorium, Arabidopsis, di mana gen RAD51 tidak berfungsi karena sepotong DNA asing dimasukkan di tengah-tengah dari gen. Ma tim membedah tanaman kecil bunga buds sebelum mereka memiliki kesempatan untuk mengembangkan, ketika mereka hanya sekitar 0,3 atau 0.4 milimeter dengan diameter. "Sangat penting untuk melihat sel dari kuncup bunga kecil sebelum mereka terbuka karena meiosis adalah suatu peristiwa yang terjadi sebelum serbuk sari pembangunan dimulai," Ma menjelaskan. "Kami kemudian memperlakukan sel dengan bahan kimia yang melindungi struktur mereka dari kerusakan dan kemudian noda mereka dengan bahan kimia yang memungkinkan kita untuk melihat DNA jauh lebih jelas daripada bagian lain dari sel.
Para peneliti gambar mikroskopis meiosis tanaman mereka mutan mengungkapkan kromosom yang tidak rapi paket tapi kekacauan banyak bagian yang rusak dari kromosom. "Kami menemukan bahwa tanaman di mana gen RAD51 tidak berfungsi tidak mampu bergabung kembali bagian mereka kromosom yang rusak selama meiosis," Ma mengatakan. Para peneliti Selain itu diuji menemukan ini dengan memperkenalkan ke tanaman mutasi gen, bernama SPO-11, yang melumpuhkan protein sistem yang memotong kromosom. "Pada tanaman yang rusak di SPO-11 dan RAD51, kita temui kromosom utuh, tidak serakan fragmen-fragmen kromosom," laporan Ma. "Karena kromosom tidak memotong di tempat pertama, Anda tidak benar-benar perlu RAD51 untuk memperbaiki itu." Percobaan ini menunjukkan bahwa RAD51 memiliki peran yang penting dalam biokimia perbaikan DNA selama rekombinasi. Mereka juga membangun sistem ini untuk memperbaiki patah kromosom, yang sebelumnya dikenal terjadi pada hewan dan jamur, yang terjadi pada tanaman, juga.
Kode gen RAD51 untuk jenis enzim yang dikenal sebagai recombinase, yang mengatalisis bertukar, atau "crossover", bagian DNA antara kromosom yang sangat mirip, atau "homolog". Pada konsepsi, seorang individu mewarisi satu salinan kromosom yang ayah dan lain sangat mirip tetapi tidak benar-benar identik salinan dari ibunya. DNA ini bertukar - proses yang dikenal sebagai rekombinasi--penting untuk menghasilkan keragaman di antara individu dalam keluarga yang sama dan seluruh seluruh penduduk.
Ini sangat mirip molekul DNA, bersama gen-gen tertentu yang terletak pada satu titik di setiap strand, yang membawa bersama-sama oleh mesin molekul sel untuk membentuk struktur dua kromosom yang dikenal sebagai sepasang homolog. Karena DNA bersama setiap kromosom sangat mirip, struktur tipis ini dapat membentuk antara kromosom yang mengakibatkan struktur yang dikenal sebagai synaptonemal kompleks, yang menghubungkan dua strands bersama-sama. Ma penelitian adalah yang pertama untuk memberikan bukti definitif gen RAD51 diperlukan khusus untuk homolog pemasangan dan synapsis, selain untuk perannya dalam rekombinasi selama meiosis. "Dalam mutan, kami menemukan bahwa kromosom tidak datang bersama-sama untuk membentuk pasangan," ia laporan. "Penelitian kami menunjukkan bahwa RAD51 protein memiliki peran dalam membawa tunggal untai DNA untuk rekan dalam inti sel untuk membentuk untai ganda dan merupakan komponen penting dari kompleks protein yang memegang kedua untaian dekat dengan satu sama lain."
Banyak temuan Ma tim penelitian yang mengungkapkan gambar indah mikroskop elektron, yang menunjukkan lebih jelas daripada sebelumnya proses pembelahan sel pada tanaman. "Kami sangat beruntung memiliki tim ilmuwan yang sangat terampil pada proses yang sangat rumit mempersiapkan sel untuk dilihat dengan mikroskop elektron," Ma mengatakan. Seperti sepotong roti potong-potong, gambar menunjukkan bagian oleh bagian pembedahan kromosom yang mengungkapkan struktur dan posisi dalam sel mereka. Terlihat jelas adalah struktur seperti jelly sandwich yang dikenal sebagai kompleks synaptonemal--sepotong tebal kromosom yang duduk di sebelah sepotong tebal dengan elemen sentral tipis yang bergabung dengan dua. Kompleks synaptonemal ini harus membentuk selama meiosis untuk seluruh set kromosom dalam sel tanaman biasa, tapi Ma menemukan bahwa itu tidak membentuk dalam sel reproduksi tanaman mutan. "Anda hanya melihat banyak potongan-potongan tebal yang telah tidak mendapatkan dipasangkan dengan sepotong karena RAD51 tidak ada untuk membawa dua potong bersama-sama," Ma mengatakan. Mikroskop elektron gambar menunjukkan definitif yang RAD51 gen diperlukan dalam tanaman untuk membentuk unsur tengah pasangan yang dua kromosom.
Gen RAD51 juga diketahui diperlukan untuk perannya dalam memperbaiki kerusakan yang disebabkan untuk DNA dalam semua organisme sel oleh radiasi yang berbahaya dan bahan kimia. Sel menggunakan bagian yang utuh DNA sebagai template untuk memperbaiki yang homolog rusak. Penelitian ini menetapkan bahwa sistem ini untuk memperbaiki patah kromosom dengan produk-produk protein RAD51 gen, yang sebelumnya dikenal terjadi pada hewan dan jamur, terjadi pada sel-sel meiosis dari tanaman, juga.
"Penelitian kami menunjukkan bahwa beberapa cacat dalam reproduksi manusia dapat dikaitkan dengan kehilangan sebagian fungsi RAD51," Ma mengatakan. "Meskipun tidak mungkin di hadir untuk belajar cacat ini RAD51 gen pada orang-orang yang memiliki masalah kesuburan, kita sekarang dapat menggunakan strain mutan tanaman ini untuk memahami lebih banyak daripada yang kita bisa sebelum tentang perannya dalam reproduksi seksual."
Selain dengan Ma dan Reiss, anggota lain dari tim peneliti termasuk Wuxing Li dan Changbin Chen di Penn State; Ullrich Markmann-Mulisch dan Elmon Schmelzer di Institut Max Planck di Jerman; dan Ljudmilla Timefejeva di Penn State dan Universitas Pertanian Estonia di Estonia. Penelitian ini didukung oleh hibah dari U. S. National Institutes of Health, US National Science Foundation, U. S. Departemen Energi dan Komisi Eropa.
http://www.PSU.edu/