Два года назад ученые из Института медицинских исследований Стоуэрса сообщили о трехмерной структуре синаптонемного комплекса плодовой мушки Drosophila melanogaster. Этот большой белковый комплекс играет важную роль в сегрегации хромосом во время мейоза, процесса клеточного деления, дающего начало репродуктивным клеткам. Синаптонемный комплекс функционирует у людей и животных, размножающихся половым путем, для достижения нормальной, здоровой беременности.
Недавнее исследование, проведенное в лаборатории исследователя Стоуэрса Скотта Хоули, доктора философии, раскрыло более подробную информацию о том, как синаптонемный комплекс выполняет свою работу, включая некоторые удивительные тонкости в функционировании.
«У людей существуют различные механизмы, которые могут привести к анеуплоидии, когда имеется аномальное число хромосом», - говорит Кэтрин Биллмайр, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Хоули. «Возраст матери является фактором, наиболее связанным с анеуплоидиями, вызывающими выкидыши, но вторым по значимости фактором являются дефекты хромосомной рекомбинации».
Анеуплоидии встречаются в 10-50% случаев беременности у человека. Отсутствие кроссинговеров хромосом во время рекомбинации, во время которой нити ДНК гомологичных хромосомных плеч разрываются и восстанавливаются, может привести к неправильной сегрегации хромосом.
В текущем исследовании, опубликованном в Интернете 30 сентября 2019 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, соавтор Биллмайр и его коллеги охарактеризовали роль белка поперечной нити плодовой мушки C(3)G, белок в центральной области синаптонемного комплекса, в процессе мейотической рекомбинации. Изучая мутанты в C(3)G, которые сохранили некоторую степень функции, они показали, что некоторые плечи и области хромосом больше зависят от нормального синаптонемного комплекса, чем другие.
«Синаптонемный комплекс похож на зубцы молнии, и он скрепляет пару хромосом во время мейоза», - объясняет Хоули. «Гены, которые выполняют эту функцию в различных организмах, очень трудно изучать, потому что, когда вы получаете в них мутации, они обычно делают ген или белок полностью нефункциональным».
«С лабораторной точки зрения мы впервые узнали около 16 или 17 лет назад, что компоненты синаптонемного комплекса заслуживают тщательного изучения», - говорит Хоули. «Это один из первых случаев, когда у нас была версия одного из этих генов с частичной потерей функции, и мы смогли более подробно изучить, как он работает. Было удивительно иметь этот инструмент после стольких лет»."
«Мы подозревали, что изменение длины предсказанной спиральной области белка C(3)G вызовет проблемы», - говорит Биллмайр. Команда создала несколько штаммов плодовых мушек, каждый из которых имел разное нарушение спиральной спирали C(3)G, используя очень точный подход к редактированию генов.
Используя систему CRISPR/Cas9, соавтор Кори Кахун, доктор философии, которая провела свое преддокторское исследование в лаборатории Хоули, сконструировала три штамма плодовых мушек, несущих точные делеции, предназначенные для разрушения спирального спирального домена. Самая большая делеция удалила последовательность из 213 аминокислот, а другие удалили последовательность из 16 аминокислот и последовательность из 7 аминокислот в области-мишени большей делеции. Когда мутантные фенотипы были охарактеризованы, результаты оказались совсем не такими, как ожидали исследователи.
«До проведения анализа Кэти и Кори правила заключались в том, что все, что влияет на взаимодействие хромосом, справедливо для всех хромосом», - говорит Хоули.
Биллмайр и Кахун обнаружили, что делеции влияют на Х-хромосому иначе, чем на аутосомы (неполовые хромосомы). Например, как делеция 213 аминокислот, так и делеция 7 аминокислот, но не делеция 16 аминокислот, показали значительно сниженную скорость рекомбинации на Х-хромосоме.
Более того, у трех делеционных мутантов обнаружены дефекты синаптонемного комплекса, которые инициировались в разное время. Преждевременная потеря интактного синаптонемного комплекса происходила на разных стадиях мейоза у каждого мутанта. Следует отметить, что хотя мутант с делецией из 7 аминокислот содержал наименьшую делецию последовательности, исследователи обнаружили, что интактный синаптонемный комплекс никогда не образовывался.
В совокупности эти результаты подчеркивают, что «для некоторых белков их структура может быть более важной, чем их первичная аминокислотная последовательность», - говорит Хоули.
«Мы не ожидали увидеть эти разные фенотипы на разных хромосомах. Мы бы предсказали, что если у вас что-то не так с синаптонемным комплексом, вы увидите одинаковый эффект повсюду», - говорит Биллмайр. Но, по ее словам, «существуют явные различия в том, как Х-хромосома и аутосома реагируют на окружающую среду».
Будет ли это идентичность хромосом (пол или аутосома) или их структура, которая вызывает дифференциальные взаимодействия с синаптонемным комплексом, еще предстоит выяснить.
«Я действительно думаю, что хромосомно-специфический аспект фенотипа очень применим к мейотическим дефектам человека», - говорит Биллмайр.
Лаборатория Хоули планирует расширить это исследование, используя подход структурной биологии и маркеры, чтобы определить, происходит ли кроссинговер в расположении синаптонемного комплекса, как взаимодействуют белки в синаптонемном комплексе и как такие небольшие делеции могут вызывать синаптонемный синдром. сложно быть неустойчивым.
Биллмайр имеет опыт работы в области биологии развития и клеточной биологии, и она планирует развить эту работу, чтобы лучше понять, почему некоторые области генома более чувствительны, чем другие, к дефектам рекомбинации, и как расположение кроссинговера влияет на сегрегацию хромосом.