Ключевой процесс асимметричного деления клеток сохраняет бессмертие зародышевой линии

При делении клетки хромосомы реплицируются в две копии — по одной для каждой дочерней клетки. Эти копии, называемые сестринскими хроматидами, обычно считаются идентичными. Именно две пары сестринских хроматид образуют симметричную X-образную форму, которую обычно изображают при визуализации хромосом.

Работа 2013 года из лаборатории Юкико Ямаситы показала, что в случае асимметричного деления клетки — например, когда стволовая клетка делится на два разных типа дочерних клеток (стволовую и дифференцирующуюся) — сестринские хроматиды половых хромосом могут нести различную информацию, и делящаяся клетка «выбирает», какая из дочерей получит конкретную копию.

Новая статья Ямаситы, опубликованная в Science Advances 27 июля, раскрывает механизмы, лежащие в основе неслучайной сегрегации сестринских хроматид, и предполагает, что весь этот процесс может служить способом поддержания количества рибосомной ДНК (рДНК), передаваемой последующим поколениям. «Связь этих двух процессов — поддержания числа копий рДНК и неслучайной сегрегации хроматид — является неожиданным и захватывающим прорывом в нашем понимании того, как половые клетки способны сохранять своё бессмертие», — сказала Ямасита.

Исследование возглавил Джордж Ватасэ. Он начал работу с целью выявить генетические основы неслучайной сегрегации X и Y хромосом у плодовой мушки Drosophila melanogaster. В ходе поиска генов, важных для этого процесса, стало очевидно, что ключевую роль играет рибосомная ДНК.

• Когда рДНК оставалась нетронутой, сестринская хроматида с большим количеством рДНК предпочтительно «выбиралась» дочерней стволовой клеткой, а не дифференцирующейся клеткой.
• Когда же рДНК удаляли с X и Y хромосом, сестринские хроматиды распределялись между дочерними клетками случайным образом.

рДНК состоит из длинных повторов определённых пар оснований и содержит инструкции для создания рибосом, необходимых для синтеза белков. «Большинство генов существуют лишь в одной копии, но в случае рДНК у нас в геноме сотни копий», — пояснил Ватасэ.

По мере старения организма большинство его клеток, включая стволовые клетки зародышевой линии, естественным образом теряют часть этих повторов рДНК. Однако половые клетки иногда называют «бессмертными» — они должны передавать ДНК между поколениями. Поэтому стволовые клетки, производящие сперматозоиды и яйцеклетки, не могут продолжать терять повторы рДНК и должны обходить смертность других клеток, поддерживая высокое число копий рДНК с течением времени.

Выделяя белки, связывающиеся с рДНК, Ватасэ обнаружил один специфический ген, белковый продукт которого связывался с рДНК и каким-то образом «назначал» сестринскую хроматиду с большим числом повторов рДНК той дочерней клетке, которой было суждено остаться стволовой клеткой зародышевой линии.

Этот ранее не описанный ген получил название Indra. В индуистских писаниях бог Индра был проклят мудрецом Дурвасой и лишён бессмертия. Когда этот новый ген «выключали» у мух, половые клетки последующих поколений постепенно теряли бессмертие, отделяющее стволовые клетки зародышевой линии от их дифференцированных аналогов.

Исследование открывает новые направления для будущей работы. Например, статья в основном фокусировалась на самцах дрозофил и производстве сперматозоидов. Indra экспрессируется и в женской зародышевой линии, и при его нокауте у самок фенотип оказывается гораздо более тяжёлым. «Должен быть какой-то механизм в женских половых клетках, чтобы избежать уменьшения числа копий рДНК. Мы просто не знаем, что это за механизм», — сказал Ватасэ.

В будущем учёные также надеются выяснить, как именно Indra взаимодействует с аппаратом деления клетки, влияя на распределение хроматид, и каким образом стволовая клетка «выбирает» более длинную хроматиду.

«Это исследование — шаг к пониманию этого увлекательного свойства половых клеток. Это действительно захватывающая область, и мы должны продолжать копать глубже», — заключила Ямасита.