Клетки просто избегают путаницы хромосом: репродуктивное деление клеток имеет механическую защиту от ошибок
Репродуктивное деление клеток выработало простое механическое решение для предотвращения ошибок в сортировке хромосом, сообщают исследователи в выпуске Science Express от 11 сентября.
Это естественная защита предотвращает неправильный подсчет хромосом и их смещение, которые приводят к бесплодию, выкидышам или врожденным заболеваниям.
«Ошибки во время репродуктивного деления клеток вызывают эти проблемы, но часто непонятно, что именно идет не так», — сказала Адель Марстон из Центра клеточной биологии Wellcome Trust при Эдинбургском университете в Шотландии, ведущий автор исследования. Понимание нормальных защитных механизмов, подобных недавно обнаруженному, может указать, где что-то может пойти не так.
Марстон входит в международную группу, изучающую мейоз — тип клеточного деления, который уменьшает исходное число хромосом организма вдвое для полового размножения. Мейоз происходит, например, при создании сперматозоидов или яйцеклеток. Это сокращение позволяет потомству унаследовать половину хромосом от отца и половину от матери.
«Во время клеточного деления хромосомы должны быть точно отсортированы в сложной хореографии, где хромосомы сначала спариваются, а затем расходятся в определенной последовательности», — пояснила она.
Однако расположение усложняется на ранних стадиях репродуктивного деления клеток. Веретенообразному аппарату в клетках, который растаскивает хромосомы, приходится иметь дело не с парами, а с квартетами. Каждый квартет содержит две «сестринские хроматиды» от матери, связанные с двумя от отца. Хроматида — это одна из двух нитей, образующихся при дупликации хромосомы; сестринские хроматиды являются идентичными копиями.
«Правильный результат для первой стадии мейоза — совместная миграция сестринских хроматид, а не их разделение», — объяснил доктор Чарльз Л. Эсбери, профессор физиологии и биофизики Вашингтонского университета, старший автор исследования.
Он отметил, что при всех типах клеточного деления сестринские хроматиды изначально удерживаются вместе когезином. Однако на ранних стадиях репродуктивного деления исследовательская группа обнаружила, что сестринские хроматиды соединены прочной, сверхплотной связью.
Когда клетки готовятся к делению, появляются молекулярные машины, называемые кинетохорами, которые берут на себя несколько ролей. Они контролируют и приводят в движение хромосомы. Они задают время для других событий клеточного деления, включая фактическое разделение хромосом.
Кинетохоры состоят из набора белков, которые связываются с кончиками крошечных волоконоподобных структур, называемых микротрубочками. Кончики действуют как моторы. Кинетохора преобразует удлинение и укорочение кончиков микротрубочек в полезную силу для перемещения хромосом.
Исследователи установили, что на ранних стадиях мейоза кинетохоры между сестринскими хромосомами механически сливаются. Эта привязка предотвращает преждевременное разделение хромосом и их неправильное распределение.
Слитые кинетохоры содержат больше связывающих элементов, чем одиночные кинетохоры, и образуют прочные, трудноразрываемые соединения. Белковый комплекс под названием монополин, обнаруживаемый в клетках на ранних стадиях репродуктивного деления, по-видимому, стоит за этой модификацией. Монополин сам по себе смог слить частицы кинетохор в лабораторной чашке в отсутствие других факторов.
Исследователи полагают, что слияние кинетохор является базовым механизмом для правильного распределения хромосом в здоровых клетках. Эта особенность репродуктивного деления клеток консервативна у разных видов и фундаментальна для реализации ожидаемых паттернов генетического наследования.
В этом исследовании ученые работали с простой формой жизни — пекарскими дрожжами — и использовали передовые, высокоточные методы, включая генетические манипуляции, лазерный захват и флуоресцентную микроскопию.
«Мы объединили генетический контроль клеточного цикла с биофизическим манипулированием сложной белковой машиной — кинетохорой — на уровне единичной частицы, — сказал Эсбери. — Я думаю, наша работа будет руководством для других, изучающих молекулярные механизмы, регулируемые в соответствии с клеточным циклом».