Одна из худших вещей, которые могут случиться с клеткой, - это неправильное число хромосом. Это может произойти, если что-то пойдет не так во время деления клеток, и может привести к бесплодию, выкидышу, врожденным дефектам или раку. По оценкам, 30 процентов выкидышей происходят из-за неправильного числа хромосом в клетках эмбриона.
Клеточный биолог Нидхи Бхалла изучает, как хромосомы контролируют себя на протяжении всей сложной хореографии клеточного деления, чтобы предотвратить такие ошибки. Ее исследования сосредоточены на особом типе клеточного деления, называемом мейозом, при котором образуются яйцеклетки у самок и сперматозоиды у самцов. Этот процесс радикально отличается от клеточного деления, посредством которого размножаются обычные клетки (так называемый митоз).
«Важно знать, как работают эти основные биологические механизмы, чтобы мы могли понять, что происходит, когда они идут наперекосяк», - сказал Бхалла, доцент кафедры молекулярной, клеточной и биологии развития в Калифорнийском университете в Санта-Круз. «Мы знаем, что неправильное число хромосом вызывает генетические нарушения и врожденные дефекты. Понимание того, как это происходит, может помочь нам предотвратить это или определить диагностические маркеры, чтобы люди могли лучше принимать решения о репродуктивном здоровье».
Если учесть все, что хромосомы должны делать во время мейоза, то удивительно, что этот процесс вообще производит жизнеспособную яйцеклетку или сперматозоид. На ключевом этапе, называемом рекомбинацией, хромосомы обмениваются целыми участками ДНК. Это похоже на перетасовку колоды карт, и поэтому братья и сестры могут быть такими разными, несмотря на то, что у них одни и те же родители.
Рекомбинация включает в себя преднамеренное разрезание ДНК, так что это чревато, и очень интересно, как клетки эволюционировали, чтобы справляться с этим. У вас есть механизм, подверженный ошибкам, и на него накладывается сложная структура, чтобы ограничить ошибки, - сказал Бхалла.
Почему мейоз вообще такой сложный и подверженный ошибкам процесс? Как и в большинстве случаев в биологии, ответ заключается в эволюции и естественном отборе. Половое размножение с перетасовкой колод посредством рекомбинации во время мейоза порождает генетическое разнообразие в потомстве, которое является сырьем для естественного отбора.
«Мейоз порождает новые генетические комбинации, и естественный отбор воздействует на это. Все, что мы видим в эволюции, является продуктом того, что происходит в мейозе», - сказал Бхалла.
Хромосомная система мониторинга, которую она изучает, включает ряд контрольных точек, чтобы убедиться, что каждый шаг мейоза завершен должным образом, прежде чем клетка перейдет к следующему шагу. Контрольные точки - это молекулярные механизмы, которые могут остановить клеточный цикл до тех пор, пока все не будет в порядке для следующего шага, и они даже могут вызвать самоуничтожение клетки, если произошли ошибки.
В мейозе необходимо отслеживать множество шагов. Большинство клеток в организме имеют два набора хромосом, один от отца и один от матери. Яйцеклетка и сперматозоиды имеют только один набор хромосом, поэтому в результате оплодотворения, когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются, образуется эмбрион с двумя наборами хромосом. Таким образом, ключевая функция мейоза состоит в том, чтобы осуществить это сокращение до одного набора хромосом. Он начинается со спаривания гомологичных хромосом: хромосома 19 от мамы соединяется с хромосомой 19 от папы и так далее.
Когда гомологичные хромосомы объединяются в пары, они образуют структуру, называемую синаптонемным комплексом, которая удерживает их вместе. В этот момент рекомбинация перемешивает генетические колоды, поскольку две гомологичные хромосомы обмениваются участками ДНК. Затем синаптонемный комплекс распадается, и гомологичные хромосомы расходятся на две дочерние клетки. И это только первая часть.
«Существует контрольная точка, которая обеспечивает правильное синапсирование хромосом, контрольная точка, которая отслеживает рекомбинацию, еще одна, которая следит за тем, чтобы хромосомы были прикреплены к аппарату, который их разделяет, и так далее», - сказал Бхалла.
Вторая часть мейоза включает разделение дубликатов хромосом. Прежде чем начнется мейоз или митоз, все хромосомы делают копии самих себя, и копии (называемые сестринскими хроматидами) удерживаются вместе. Во время митоза и второй стадии мейоза сестринские хроматиды разделяются на отдельные дочерние клетки.
В новом исследовании, опубликованном 4 октября в журнале Current Biology, лаборатория Бхаллы изучила молекулу контрольной точки под названием сюгошин, что в переводе с японского означает «дух-хранитель». Шугошин был первоначально идентифицирован как важный в мейозе для регуляции того, как сестринские хроматиды удерживаются вместе в структуре, называемой центромерой. Лаборатория Бхаллы обнаружила, что на самом деле он играет гораздо более широкую роль в мейозе, устанавливая правильную структуру хромосом и обеспечивая правильное развитие рекомбинации.
«Эти белки многозадачны, и клетки используют их для множества функций, чтобы заставить хромосомы делать невероятно разные вещи в разных контекстах», - сказал Бхалла.
Хромосомы содержат генетический план организма в своей ДНК, но ДНК является лишь частью очень сложной хромосомной структуры, включающей множество различных белков с различными функциями, от упаковки ДНК до мониторинга поведения самой хромосомы.
«Хромосомы участвуют в мониторинге своего собственного поведения. В этом есть прелесть, потому что они являются активными участниками там, где вы ожидаете, что они будут пассивными», - сказал Бхалла. «Когда вы видите деление клеток, когда хромосомы выстраиваются и расходятся, кажется, что они пассивны, но мы знаем, что они являются активными участниками, и их структура способствует этому».