Ученые заметили, что хромосомы могут «обмануть», уменьшая вероятность того, что они превратятся в половую клетку. Теперь команда из Пенсильванского университета показала, как эта предвзятость возникает в женских клетках. При тщательном наблюдении и экспериментах с ооцитами мышей, предшественниками яиц, они обнаружили молекулярные сигналы, которые создают асимметрию в механизмах, управляющих мейозом, процессом деления клеток, который приводит к образованию гамет. Некоторые хромосомы, как выяснили исследователи, используют эту асимметрию, чтобы перемещаться на «правую» сторону клетки во время деления и попадать в яйцеклетку.
Проливая свет на общий, но малоизученный аспект мейоза, полученные данные 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 механизм мейоза, тогда мы глубже поймем, как этот процесс работает в первую очередь», — сказал Майкл Лэмпсон, доцент биологии Школы искусств и наук Пенна и старший автор. на исследование.Лэмпсон объединился с членами лаборатории Такаши Акера, Лукашем Чматалом, Эмили Тримм и Каррен Янг, а также Ричардом М. Шульцем, заслуженным профессором биологии Чарльза и Уильяма Л. Дей; Дэвид Ченовет, доцент кафедры химии; Член лаборатории Chenoweth Чанат Аонбангкхен; и Карстен Янке из Французского института Кюри. Их исследование опубликовано в журнале Science.
На протяжении десятилетий ученые знали, что генетические элементы, по-видимому, участвуют в соревновании во время мейоза, поскольку некоторые из них передаются в гаметы со скоростью, постоянно превышающей ожидаемую. 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 дальше. Но мы также можем думать об эгоизме на уровне самого гена. В этом контексте гены конкурируют с каждым из них. другой, чтобы попасть в гамету. И хотя у нас были доказательства того, что это могло произойти, мы действительно не понимали, как это произошло ».
Команда Пенна рассудила, что для возникновения предвзятой передачи необходимо что-то в физическом механизме деления клеток. 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, прежде чем она разделится.
Глядя на микротрубочки в ооцитах мышей, они обнаружили однобокое распределение модификации, называемой тирозинацией: яичная сторона клетки имела меньше этой модификации, чем другая сторона, ближе к тому, что называется корой. Эта асимметрия присутствует только на стадии мейоза, когда веретено движется к коре от середины клетки.
«Это говорит нам о том, что любой сигнал, устанавливающий модификацию тирозина, исходит из коры головного мозга», — сказал Лэмпсон. «Следующий вопрос: что это за сигнал?»У исследователей уже была некоторая информация о молекулах, экспрессия которых увеличивается на корковой стороне клетки, в том числе о молекуле под названием CDC42. Чтобы проверить, вносит ли эта молекула вклад в асимметричное тирозинирование, исследователи использовали экспериментальную систему, разработанную ранее Лэмпсоном и Ченоветом, которая использует светочувствительный анализ для выборочного обогащения CDC42 на одной стороне полюса.
Их результаты подтвердили, что CDC42 ответственен, по крайней мере частично, за индукцию асимметрии тирозинирования и, следовательно, асимметрии веретена в делящейся клетке.Установив, что асимметрия существует и как она возникает, исследователи из Пенсильвании решили показать, что эта асимметрия позволяет хромосомам обманывать. Они сделали это, сосредоточив внимание на центромерах, области хромосомы, которая прикрепляется к веретену.
Скрещивая две линии мышей, они нашли животных, которые обладали двумя типами центромер в каждой из своих клеток: большей и меньшей.Из более ранней работы группы они знали, что более крупные центромеры, как известно, передаются преимущественно в гаметы. В текущей работе они подтвердили, что более крупные и «более сильные» центромеры действительно с большей вероятностью будут двигаться к полюсу клетки, которая станет яйцом.Когда исследователи устранили асимметрию веретена путем мутации CDC42 и других мишеней, смещение в ориентации центромеры исчезло.
«Это связывает асимметрию веретена с идеей обмана хромосом или центромер», — сказал Лэмпсон.Но этот результат также поднял вопрос о том, когда центромеры стали смещенными в своей ориентации, поскольку веретено начинается в середине клетки, и в этот момент центромеры уже прикреплены несмещенным образом.
Асимметрия и смещенное прикрепление центромер происходит позже.Введите переворачивающуюся центромеру. Используя живую визуализацию ооцитов мышей, исследователи обнаружили, что «более сильные» центромеры с большей вероятностью отделились от веретена, чем более слабые центромеры, и особенно склонны были отделяться, если они были ориентированы на корковую сторону клетки, предположительно для того, чтобы перевернуть и переориентируются на яичный полюс клетки. Более слабые центромеры лишь изредка отделялись и не отдавали предпочтения той или иной стороне клетки.
«Если вы эгоистичная центромера и идете неправильным путем, вам нужно отпустить, чтобы вы могли смотреть в другую сторону», — сказал Лэмпсон. «Вот как ты« побеждаешь »».В будущей работе Лэмпсон и его команда надеются дополнительно изучить, какие характеристики центромер делают их сильными или слабыми.
«Эта работа дала нам хорошую информацию о смещенной передаче центромер, но она также поднимает массу других вопросов», — сказал Лэмпсон. «Почему наши центромеры выглядят так, как они есть, и как они развиваются, чтобы побеждать в этих соревнованиях? Это фундаментальные биологические вопросы, о которых мы до сих пор мало что знаем».
Исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения (гранты GM107086 и GM122475), Институтом Кюри и Мемориальным фондом Уэхары.