Новые этапы в хромосомном танце мейоза

Мейоз и рекомбинация — фундаментальные процессы для всех организмов, размножающихся половым путем. Их нарушения могут приводить к бесплодию, выкидышам, врожденным дефектам и нарушениям развития.

Лаборатория Нила Хантера в Колледже биологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе исследует сложные детали мейоза. В новой статье, опубликованной 6 января в журнале Science, группа Хантера описывает ключевую роль в этом процессе белков SUMO и убиквитина, а также молекулярных машин — протеасом. Убиквитин хорошо известен как небольшой белок, «метящий» другие белки для уничтожения протеасомами. SUMO — его близкий родственник.

Цели и этапы мейоза

Во время мейоза хромосомы выполняют сложный, но строго контролируемый «танец», чтобы каждая половая клетка (сперматозоид или яйцеклетка):

• Имела половину числа хромосом обычной соматической клетки.
• Получила ровно по одной копии каждой хромосомы (в соматических клетках хромосомы парные).

Для этого клетки проходят два деления и ряд предшествующих стадий.

При подготовке к первому делению хромосомы тесно сближаются в гомологичные пары и соединяются посредством кроссинговера — разрыва и воссоединения плеч хромосом. Эти соединения критически важны для точного распределения хромосом. Без кроссинговера в половые клетки может попасть неверное число хромосом. Кроме того, кроссинговер «перетасовывает» генетическую колоду, создавая новые комбинации аллелей, унаследованных от родителей.

Роль SUMO, убиквитина и протеасом

Лаборатории Хантера и их коллеги Валентина Бёрнера (Кливлендский государственный университет) раскрыли центральную роль SUMO, убиквитина и протеасом в мейозе.

У хромосом существуют сотни потенциальных сайтов для кроссинговера, но лишь немногие становятся реальными. Клетке необходимо сузить множество возможностей до нескольких сайтов, обеспечив при этом хотя бы один кроссинговер на хромосому. Команда Хантера обнаружила, что SUMO, убиквитин и протеасомы играют критическую роль в этом отборе.

«Когда вы визуализируете эти белки под микроскопом, они накапливаются вдоль хромосом, особенно вдоль хромосомных осей, где происходят все основные события», — сказал Хантер.

Хромосомная ось — это белковый каркас, организующий ДНК в серию петель. Спаривание и кроссинговер происходят между двумя осями каждой пары гомологичных хромосом.

Исследование показало, что когда хромосомы спарены, SUMO действует как «тормоз» для ДНК-взаимодействий в сотнях потенциальных сайтов кроссинговера. Без этого «тормоза» ни один из этих сайтов не формирует кроссинговер. «Без SUMO кроссинговера нет, и мейоз терпит неудачу. Мы полагаем, что приостановка процесса дает время для отбора и созревания сайтов кроссинговера», — пояснил Хантер.

Убиквитин и протеасомы действуют с другой стороны, «снимая тормоз» и позволяя ДНК-взаимодействиям продолжиться. Баланс между SUMO и убиквитином позволяет произойти ровно тому количеству кроссинговеров, которое необходимо для обеспечения попадания в сперматозоиды и яйцеклетки по одной копии каждой хромосомы.

Работа проводилась в основном на клетках мышей, включая мышей с «нокаутированными» генами, связанными с SUMO, убиквитином и родственными белками в этом процессе. Эти гены и белки имеют аналоги у человека, и их варианты могут быть связаны с фертильностью.