Баланс между белками обеспечивает быстрое плавание сперматозоидов
Для оплодотворения сперматозоидам необходимо быстро доплыть до яйцеклетки, поэтому они эволюционировали, приобретя гидродинамическую форму. Большую часть головки сперматозоида занимает ДНК, поэтому клетки упаковывают свою ДНК сверхплотно, чтобы оставаться маленькими и обтекаемыми. В большинстве типов клеток ДНК намотана на белки-гистоны. Для сперматозоидов этого недостаточно плотно, поэтому в процессе развития они заменяют гистоны на другой тип белков — протамины, которые упаковывают ДНК очень плотно.
У многих видов, включая человека, мышей и мух, есть несколько типов протаминов. Если баланс между ними нарушен, ДНК сперматозоида может упаковаться неправильно, клетка деформируется и погибает, что приводит к бесплодию. Исследователи из Института Уайтхеда Юкико Ямасита и бывший аспирант Джун Парк выяснили, почему этот дисбаланс вызывает бесплодие у плодовой мушки (Drosophila melanogaster). Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences 10 апреля, показали механизм, который балансирует разные типы протаминов для обеспечения мужской фертильности.
Mst77F — основной протамин плодовой мушки. Ямасита и Парк установили, что родственный ему протамин Mst77Y может мешать работе Mst77F. Обычно мушки производят много Mst77F и немного Mst77Y. Исследователи обнаружили, что когда экспрессия гена Mst77Y слишком высока, особенно при низкой экспрессии Mst77F, процесс упаковки ДНК нарушается, что ведёт к бесплодию.
Как Mst77Y мешает Mst77F? Оказалось, что ген Mst77Y производит дефектные протамины. На Y-хромосоме мушки есть несколько копий Mst77Y. Вероятно, они эволюционировали из копии гена Mst77F, который находится не на половой хромосоме. Однако разные версии Mst77Y утратили или изменили части, необходимые для функции, поэтому, в отличие от протамина Mst77F, протамины Mst77Y, скорее всего, не могут плотно упаковывать ДНК. Несмотря на это, они доминантны: когда они присутствуют, сперматозоид использует их вместо функциональных протаминов Mst77F.
«Mst77Y — это наполовину сломанный инструмент, — говорит Ямасита. — Он способен занять место рабочего инструмента, Mst77F, но не может выполнять его работу, поэтому при избытке Mst77Y в сперматозоиде не хватает рабочих инструментов для компактизации ДНК».
Исследователи также выяснили, как сперматозоиды поддерживают высокую экспрессию Mst77F и низкую Mst77Y: с помощью белка Modulo. Чтобы РНК, считанная с гена, превратилась в белок, к ней нужно добавить «хвост» из цепочки аденинов — одного из четырёх строительных блоков РНК. Modulo обеспечивает предпочтительное добавление этого хвоста к РНК, кодирующей Mst77F. Хотя точный механизм этого предпочтения не установлен, исследователи наблюдали, что Modulo и РНК Mst77F группируются в одной части клетки — ядрышке, тогда как Mst77Y — нет.
Эти результаты объясняют, почему и как клетки сперматозоидов плодовой мушки тщательно балансируют уровни двух протаминов. Однако возникает вопрос: зачем сперматозоидам нефункциональные протамины Mst77Y? У исследователей есть предположение, связанное с их наблюдением, что высокий уровень Mst77Y убивал больше сперматозоидов, несущих X-хромосому, чем несущих Y-хромосому.
Предыдущие исследования предполагали, что протамины могут быть вовлечены в процесс мейотического драйва, с помощью которого животные могут влиять на соотношение полов у потомства. Новая работа не только согласуется с этой гипотезой, но и предлагает возможный механизм участия протаминов. Исследователи отмечают, что в этом эксперименте они не увидели сильного влияния на соотношение полов у потомства, но надеются, что эта работа заложит основу для понимания роли нефункциональных протаминов в мейотическом драйве.
«На клеточном уровне мы смогли показать, что есть основание для участия этого протамина в предпочтительном выживании сперматозоидов, несущих X- или Y-хромосому, — говорит Парк. — Интересный следующий вопрос — выяснить, существуют ли условия, при которых этот механизм более явно действует как драйвер на уровне соотношения полов у потомства».