Эволюционная "гонка вооружений" может поддерживать честность деления клеток

Яйцеклетки и сперматозоиды (гаметы) отличаются от других клеток человека тем, что содержат лишь один набор из 23 хромосом, а не два (по одному от каждого родителя).

Исследования под руководством Майкла Лэмпсона из Пенсильванского университета показали, что передача хромосом гаметам — не случайный процесс. Некоторые факторы могут "склонить чашу весов", повышая вероятность передачи определённой копии хромосомы следующему поколению.

В новой работе, опубликованной в журнале Cell, Лэмпсон и коллеги обнаружили силу, которая уравновешивает эти весы во время мейоза — процесса деления клеток, в результате которого образуются гаметы. Эта сила приближает шансы передачи конкретной хромосомы в жизнеспособную яйцеклетку к 50/50.

Исследователи выяснили, что, хотя существует механизм, дающий определённым хромосомам преимущество во время мейоза, параллельный ему отдельный путь действует, чтобы подавить это преимущество. Белки, действующие в этих двух путях, по-видимому, находятся в состоянии эволюционной "гонки вооружений". Её цель — избежать ошибок и аномалий в яйцеклетках, таких как анеуплоидия (аномальное число хромосом), которая может привести к врождённым дефектам.

"Если мы думаем об этих хромосомах, попадающих в яйцеклетку, как о «эгоистичных», то это подразумевает, что они максимизируют свою собственную передачу в ущерб организму в целом", — говорит Лэмпсон. — "Если есть цена, то могут быть и другие гены, находящиеся под давлением, чтобы подавить эгоистичные или снизить эту цену".

В 2017 году в журнале Science Лэмпсон и его лаборатория описали механизм возникновения асимметрии в мейотическом веретене (структуре из микротрубочек, которая растаскивает хромосомы к противоположным полюсам клетки перед делением). Эта асимметрия приводила к смещению в передаче хромосом. Они обнаружили, что "эгоистичные" центромеры (часть хромосомы, прикрепляющаяся к веретену) с большей вероятностью, чем "неэгоистичные", могли отсоединяться и повторно прикрепляться к стороне клетки, которая должна была стать жизнеспособной яйцеклеткой, а не полярным тельцем (которое обычно деградирует).

В 2019 году в журнале Cell исследователи подробно описали этот процесс. Они выяснили, что эгоистичные центромеры смещали передачу, рекрутируя определённые белки, которые дестабилизировали прикрепление к веретену, снова увеличивая шанс оказаться в яйцеклетке. Эти белки играли роль в способности центромер отсоединяться от веретена.

"Мы поняли, как работает эгоистичность", — говорит Лэмпсон, поэтому в новой работе "мы хотели понять, как работает подавление".

Предыдущие исследования показали, что некоторые белки, действующие на центромере, быстро эволюционируют у разных видов животных. Лэмпсон и коллеги предположили, что эта быстрая эволюция может быть свидетельством "гонки вооружений" между эгоистичными и подавляющими факторами, подобно тому, что наблюдается в иммунной системе, которая может быстро эволюционировать в ответ на изменяющиеся угрозы патогенов.

"Было удивительно обнаружить целую кучу быстро эволюционирующих белков, функционирующих в центромере, потому что можно было бы ожидать, что они будут высококонсервативными, поскольку так важны для деления клеток", — говорит Лэмпсон. — "Но это признак гонки вооружений, как мы видим в иммунной системе: если эгоистичные центромеры собираются жульничать, вероятно, есть белки, которые эволюционируют, чтобы подавить это".

Исследователи уже знали, что эффекторные белки, смещающие передачу хромосом, рекрутируются к центромере через путь, известный как кинетохорный путь. Чтобы найти подавляющий путь, они обратили внимание на гетерохроматин (плотно упакованную ДНК), который также известен тем, что рекрутирует белки к центромере.

Чтобы проверить, уравновешивает ли гетерохроматиновый путь смещающий эффект кинетохорного пути, исследователи селективно модифицировали фермент, действующий в каждом пути.

• Когда они модифицировали белок CENP-C, нарушая кинетохорный путь, наблюдалось снижение смещения между эгоистичными и неэгоистичными центромерами: хромосомы выстраивались более симметрично в клетке перед завершением мейоза.
• Напротив, когда они удалили белок CENP-B, участвующий в рекрутировании белков в гетерохроматиновом пути, асимметрия в хромосомах становилась более выраженной, и эгоистичным центромерам позволялось смещать передачу хромосом в яйцеклетку.

"Похоже, здесь работают эти тонкие изменения", — говорит Лэмпсон, — "потому что оба этих пути необходимы. Вы не можете уничтожить кинетохорный путь, потому что он фундаментален для деления клеток, но в то же время вы хотите уменьшить возможность для центромер быть эгоистичными. Таким образом, эволюция, по-видимому, действует, чтобы реагировать на эти одновременные давления".

Полученные данные проливают свет на эволюционное поле боя, присутствующее в наших собственных телах.

"Я думаю, это действительно интересно, что в наших собственных геномах есть эти эгоистичные компоненты, которые играют важную роль. Эти самые, самые фундаментальные аспекты нашей клеточной биологии фактически отражают конкурирующие давления".

Лэмпсон и коллеги надеются продолжить изучение в последующих работах, могут ли потенциальные "издержки" эгоистичных факторов приводить к значительным ошибкам в производстве гамет или другим проблемам в мейозе.

"Самки производят не так много яйцеклеток", — говорит Лэмпсон, — "поэтому можно подумать, что каждая из них драгоценна, и мы не хотим допускать ошибок. Но ошибки иногда случаются; иногда попадает слишком много хромосом. Так связаны ли ошибки каким-то образом с этими эгоистичными факторами?"