Долгое время считалось, что во время первого клеточного деления эмбриона одно веретено отвечает за разделение хромосом эмбриона на две клетки. Ученые EMBL теперь показывают, что на самом деле существует два веретена, по одному для каждого набора родительских хромосом, а это означает, что генетическая информация от каждого родителя сохраняется отдельно на протяжении всего первого деления. Science публикует результаты, которые должны изменить учебники биологии, 12 июля 2018 года.
Это формирование двойного веретена может объяснить высокую частоту ошибок на ранних стадиях развития млекопитающих, охватывающих первые несколько клеточных делений. «Цель этого проекта состояла в том, чтобы выяснить, почему в этих первых дивизионах происходит так много ошибок», - говорит Ян Элленберг, руководитель группы EMBL, руководивший проектом. «Мы уже знали о формировании двойного веретена у более простых организмов, таких как насекомые, но мы никогда не думали, что это будет иметь место у млекопитающих, таких как мыши. Это открытие стало большим сюрпризом, показав, что вы всегда должны быть готовы к неожиданностям».
Разгадка тайны 20-летней давности
Ученые всегда видели родительские хромосомы, занимающие две части в форме полумесяца в ядре двухклеточных эмбрионов, но не было ясно, как это можно объяснить. «Во-первых, мы смотрели только на движение родительских хромосом и не могли понять причину разделения», - говорит Джудит Рейхманн, ученый из группы Элленберга EMBL и первый автор статьи.«Только сфокусировавшись на микротрубочках - динамических структурах, из которых состоят веретена, - мы смогли впервые увидеть двойные веретена. Это позволило нам дать объяснение этой 20-летней загадке».
Что такое митоз?
Митоз - это процесс клеточного деления, когда одна клетка делится на две дочерние клетки. Это происходит на протяжении всей жизни многоклеточных организмов, но особенно важно, когда организм растет и развивается. Ключевым этапом митоза является передача идентичной копии генома следующему поколению клеток. Для этого ДНК дублируется и организуется в плотные нитевидные структуры, известные как хромосомы. Затем хромосомы прикрепляются к длинным белковым волокнам, организованным в виде веретена, которое раздвигает хромосомы и вызывает образование двух новых клеток.
Что такое шпиндель?
Веретено состоит из тонких, трубчатых белковых сборок, известных как микротрубочки. Во время митоза животных клеток группы таких трубочек динамично растут и самоорганизуются в биполярное веретено, окружающее хромосомы. Волокна микротрубочек растут по направлению к хромосомам и соединяются с ними, готовясь к разделению хромосом на дочерние клетки. Обычно на клетку приходится только одно биполярное веретено, однако это исследование предполагает, что во время первого клеточного деления их два: по одному для материнской и отцовской хромосом.
Новые молекулярные мишени
«Двойные веретена обеспечивают ранее неизвестный механизм - и, таким образом, возможное объяснение - распространенных ошибок, которые мы наблюдаем в первых делениях эмбрионов млекопитающих», - объясняет Элленберг. Такие ошибки могут привести к тому, что клетки с несколькими ядрами прекратят развитие. «Теперь у нас есть новый механизм для выявления новых молекулярных мишеней. Будет важно выяснить, работает ли он так же у людей, потому что это может предоставить ценную информацию для исследований, например, о том, как улучшить лечение бесплодия у людей.."
Начало жизни
Кроме того, информация из этого документа может повлиять на законодательство. В некоторых странах закон гласит, что человеческая жизнь начинается и, таким образом, защищена, когда материнское и отцовское ядра сливаются после оплодотворения. Если окажется, что процесс двойного веретена работает так же и у человека, это определение не совсем точно, так как объединение в одном ядре происходит несколько позже, после первого клеточного деления.
Пока невозможно
Это открытие было бы невозможно без технологии световой микроскопии, разработанной группой Элленберга и Ларса Хуфнагеля в EMBL, которая теперь доступна через дочернюю компанию EMBL Luxendo. Это позволяет получать трехмерные изображения ранних стадий развития в режиме реального времени, когда эмбрионы очень чувствительны к свету и могут быть повреждены обычными методами световой микроскопии. Высокая скорость и пространственная точность световой микроскопии резко уменьшают количество света, которому подвергается эмбрион, что делает возможным детальный анализ этих ранее скрытых процессов.