Учёные определили «молекулярные ножницы», необходимые для разделения хромосом в половых клетках

Для успешного полового размножения перед слиянием сперматозоида и яйцеклетки должен произойти тщательно организованный процесс мейоза. Он уменьшает исходное число хромосом вдвое, чтобы потомство унаследовало половину генетического материала от каждого родителя.

Во время мейоза гомологичные хромосомы объединяются в пары (хромосома 1 с хромосомой 1 и т.д.) и остаются вместе до момента расхождения к разным полюсам делящейся клетки. Неправильное расхождение приводит к образованию половых клеток с неверным числом хромосом — основной причине выкидышей и врождённых дефектов.

Большинство хромосом используют процесс кроссинговера (обмена участками), чтобы оставаться соединёнными. Однако некоторые хромосомы, например, короткая хромосома 4 у плодовой мушки Drosophila melanogaster, не могут образовать кроссинговер. Ранее было обнаружено, что их соединяют тонкие нити ДНК, но оставалось неизвестным, как они в итоге разделяются.

Исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрс, доктор Стейси Э. Хьюз и доктор Р. Скотт Хоули, показали, что для разрезания этих нитей и расхождения хромосом необходим фермент топоизомераза II. Результаты опубликованы 23 октября 2014 года в PLoS Genetics.

«Этот способ сегрегации коротких хромосом может быть громоздким, странным и максимально неканоничным, но это не имеет значения, потому что клетки выживают. В конечном счёте, этим процессам не нужно быть элегантными, они просто должны работать», — отмечает Р. Скотт Хоули.

Учитывая, что топоизомераза II критически важна для многих клеточных процессов, её полное «выключение» привело бы к гибели мух. Учёные использовали метод РНК-интерференции, чтобы подавить активность фермента на поздней, специфической стадии мейоза у самок дрозофил.

Анализ ооцитов с помощью флуоресцентных меток показал драматический результат: без топоизомеразы II хромосомы не могут разделиться.

«Без этого фермента хромосомы не могут разойтись, они склеены вместе. Есть большие области хромосом, связанные этими нитями, в то время как остальная часть растянута, как пружинка-слинки, когда хромосомы тянут в противоположные стороны. Это просто беспорядок», — объясняет Стейси Хьюз.

В результате мутантные мушки становятся стерильными. Отдельное исследование в том же журнале показывает, что у самцов-мутантов сперматоциты навсегда остаются в незрелом состоянии. Без топоизомеразы II половые клетки «застревают» в мейозе, неспособные завершить следующие шаги — оплодотворение, деление и дифференцировку клеток, необходимые для создания нового организма.