Каждая из ваших клеток содержит две копии 23 хромосом, одну унаследованную от вашего отца и одну от вашей матери. Теоретически, когда вы создаете гамету - сперматозоид или яйцеклетку - каждая копия имеет 50-50 шансов на передачу. Но реальность не так однозначна.
Ученые заметили, что хромосомы могут «обманывать», снижая вероятность того, что они превратятся в половую клетку. Теперь команда из Пенсильванского университета показала, как это смещение возникает в женских клетках. При тщательном наблюдении и экспериментах с ооцитами мышей, предшественниками яйцеклеток, они обнаружили молекулярные сигналы, создающие асимметрию в механизмах, управляющих мейозом, процессом клеточного деления, дающим начало гаметам. Исследователи обнаружили, что некоторые хромосомы используют эту асимметрию, чтобы перемещаться на «правую» сторону клетки во время деления и попадать в яйцеклетку.
Проливая свет на общий, но плохо изученный аспект мейоза, результаты могут привести к лучшему общему пониманию мейоза, включая то, как и почему могут возникать ошибки. Ошибки в том, как хромосомы разделяются на гаметы во время мейоза, являются основной причиной некоторых выкидышей и состояний, таких как синдром Дауна.
«Если мы поймем, как эти эгоистичные элементы используют механику мейоза, то мы лучше поймем, как работает этот процесс», - сказал Майкл Лэмпсон, доцент биологии в Школе искусств Пенна. и наук и старший автор исследования.
Лэмпсон объединился с членами лаборатории Такаши Акерой, Лукашем Чматалом, Эмили Тримм и Каррен Янг, а также Ричардом М. Шульцем, Чарльзом и Уильямом Л. Дэй Заслуженный профессор биологии; Дэвид Ченоуэт, доцент кафедры химии; член лаборатории Chenoweth Чанат Аонбангкхен; и Карстен Янке из Института Кюри Франции. Их исследование опубликовано в журнале Science.
На протяжении десятилетий ученые знали, что генетические элементы, казалось, участвовали в конкуренции во время мейоза, поскольку некоторые из них передавались в гаметы со скоростью, значительно превышающей случайную. Термин для этой предвзятой передачи - «мейотический драйв».
«Обычно мы думаем об эгоистичных генах на уровне естественного отбора и отбора наиболее приспособленных», - сказал Лэмпсон. «Это может означать, что ген, который заставляет вас жить дольше, или воспроизводить больше, или убивать ваших врагов, с большей вероятностью будет передан. Но мы также можем думать об эгоизме на уровне самого гена. В этом контексте гены конкурируют друг с другом. другой, чтобы попасть в гамету. И хотя у нас были доказательства того, что это могло произойти, мы не очень понимали, как это произошло."
Для того, чтобы произошла предвзятая передача, рассуждала команда Пенна, что-то в физическом механизме клеточного деления должно способствовать этому. В случае самок заключительная стадия мейоза приводит к созданию одной клетки, которая становится жизнеспособной яйцеклеткой, и другой клетки, называемой полярным тельцем, которая обычно деградирует.
Исследователи решили сосредоточиться на механизме клеточного деления, изучая мейотическое веретено, структуру, состоящую из микротрубочек, которые прикрепляются к хромосомам, притягивая их к противоположным сторонам клетки перед ее делением.
Глядя на микротрубочки в ооцитах мыши, они обнаружили неравномерное распределение модификации, называемой тирозином: на яйцевой стороне клетки эта модификация была меньше, чем на другой стороне, ближе к тому, что называется корой. Эта асимметрия присутствовала только на стадии мейоза, когда веретено движется к коре из середины клетки.
«Это говорит нам о том, что любой сигнал, устанавливающий модификацию тирозина, исходит из коры», - сказал Лэмпсон. «Следующий вопрос: что это за сигнал?»
У исследователей уже была некоторая информация о молекулах, экспрессия которых увеличивается на кортикальной стороне клетки, включая молекулу под названием CDC42. Чтобы проверить, способствует ли эта молекула асимметричному тирозированию, исследователи использовали экспериментальную систему, которую Лэмпсон и Ченовет разработали ранее, в которой используется светочувствительный анализ для селективного обогащения CDC42 на одной стороне полюса. Их результаты показали, что CDC42 был ответственен, по крайней мере частично, за индуцирование асимметрии тирозирования и, таким образом, асимметрии веретена деления клетки..
Установив, что асимметрия существует и как она возникает, исследователи Пенна решили показать, что эта асимметрия позволяет хромосомам обманывать. Они сделали это, сосредоточившись на центромерах, области хромосомы, которая прикрепляется к веретену. Скрещивая две линии мышей, они получили животных, у которых в каждой клетке было два типа центромер: один больше, другой меньше.
Из более ранней работы группы они знали, что более крупные центромеры, как известно, передают сигнал преимущественно гаметам. В текущей работе они подтвердили, что более крупные и «сильные» центромеры действительно с большей вероятностью будут двигаться к полюсу клетки, которая станет яйцеклеткой..
Когда исследователи устранили асимметрию веретена, мутировав CDC42 и другие мишени, предвзятость в ориентации центромер исчезла.
«Это связывает асимметрию веретена деления с идеей фактического обмана хромосом или центромер», - сказал Лэмпсон.
Но этот результат также поставил вопрос о том, когда центромеры стали смещаться в своей ориентации, поскольку веретено начинается в середине клетки, и в этот момент центромеры уже прикреплены беспристрастным образом. Асимметрия и неравномерное прикрепление центромер возникают позже.
Войдите в переворачивающуюся центромеру. Используя живые изображения ооцитов мыши, исследователи обнаружили, что «более сильные» центромеры с большей вероятностью отсоединяются от веретена, чем более слабые центромеры, и особенно вероятно отсоединение, если они ориентированы на корковую сторону клетки, предположительно для того, чтобы перевернуться. и переориентируются на яйцевой полюс клетки. Более слабые центромеры редко отделялись и не отдавали предпочтение той или иной стороне клетки.
«Если вы эгоистичная центромера и смотрите не в ту сторону, вам нужно отпустить ситуацию, чтобы вы могли смотреть в другую сторону», - сказал Лэмпсон. "Вот так ты "победишь""
В будущей работе Лэмпсон и его команда надеются дополнительно изучить, какие характеристики центромер делают их сильными или слабыми.
«Эта работа дала нам некоторую полезную информацию о предвзятой передаче центромер, но она также поднимает массу других вопросов», - сказал Лэмпсон. «Почему наши центромеры выглядят именно так, как они выглядят, и как они эволюционируют, чтобы побеждать в этих соревнованиях? Это фундаментальные биологические вопросы, о которых мы до сих пор мало знаем».