Хромосомы танцуют и находят партнера на ядерной мембране
Мейоз — процесс спаривания и рекомбинации хромосом с последующим расхождением их половинок в яйцеклетки или сперматозоиды — ключевой этап для всех организмов с половым размножением. Однако точный клеточный механизм этой «хореографии» долгое время оставался загадкой.
Новое исследование учёных Калифорнийского университета в Беркли показывает, что цитоскелет клетки, отвечающий за перемещение компонентов внутри неё, играет критическую роль. Он, по сути, «проникает» в ядро, чтобы свести пары хромосом для подготовки к рекомбинации и расхождению.
Цитоскелет, по-видимому, способствует движению хромосом по ядерной мембране в поисках партнёра и помогает убедиться, что они нашли правильную пару, прежде чем мейоз продолжится.
Результаты, опубликованные онлайн 12 ноября, выйдут в печатном номере журнала Cell от 25 ноября.
Открытие на нематоде C. elegans согласуется с менее детальными наблюдениями у организмов от пшеницы и грибов (дрожжей) до мух и мышей. Это говорит о том, что базовые механизмы полового размножения на клеточном уровне возникли более миллиарда лет назад, когда одноклеточные организмы впервые научились «перемешивать» свои гены для выживания.
«Ошибки во время мейоза приводят к возрастному бесплодию у людей и к врождённым дефектам, таким как синдром Дауна и синдром Клайнфельтера», — говорит Эбби Дернбург, доцент молекулярной и клеточной биологии и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.
Как происходит спаривание хромосом
В мейозе гомологичные хромосомы (одна от матери, другая от отца) должны найти друг друга и спариться (синапсис). У человека 46 хромосом образуют 23 пары, у нематоды — 12 хромосом образуют 6 пар.
Для стабилизации пары вдоль гомологов формируется белковая «молния» — синаптонемный комплекс. Он необходим для того, чтобы хромосомы могли разорваться и рекомбинировать, обмениваясь генами перед образованием половых клеток.
Каждая из 12 хромосом нематоды прикрепляется одним концом к особым участкам на ядерной мембране. Эти участки образуют мостик между хромосомами и цитоскелетом вне ядра. Цитоскелет помогает этим участкам с прикреплёнными хромосомами случайно перемещаться по ядерной мембране, пока хромосома не встретит своего гомолога.
Ключевое открытие: контрольный пункт перед «молнией»
Ранее считалось, что синаптонемный комплекс формируется спонтанно между спаренными хромосомами. Однако работа Дернбург показала, что клетка активно предотвращает его образование, пока не убедится, что спаренные хромосомы действительно являются гомологами.
«Наша работа указывает на существование ранее неизвестного контрольного пункта, который проверяет гомологичность спаренных хромосом и «даёт разрешение» на формирование синаптонемного комплекса, только будучи удовлетворённым», — поясняет Дернбург.
Было также показано, что для работы этого механизма необходим моторный белок динеин. Без него гомологи спариваются медленнее, но не формируют синаптонемный комплекс. Это говорит о том, что динеин преодолевает некий ингибирующий механизм.
Ограничения на спаривание, вероятно, связаны с механическими напряжениями, создаваемыми связью между цитоскелетом, белками ядерной оболочки и хромосомами. «Тянущее» усилие со стороны ядерной оболочки снимает ограничение, сигнализируя хромосомам, что можно начинать синапсис.
Несмотря на различия между нематодами и людьми, механизм контроля синапсиса, вероятно, очень древний и высоко консервативный в эволюции.