Разделение — сложный процесс (особенно для половых хромосом)

Хромосомы X и Y — маловероятная пара. X — большая и содержит тысячи генов, критически важных для жизни. Y, напротив, представляет собой едва ли больше, чем огрызок. Его основная функция — обеспечить инструкции для запуска мужского развития и производства сперматозоидов. Тем не менее, эти две очень разные хромосомы должны работать вместе, чтобы правильно встретиться и спариться во время мейоза — особой формы клеточного деления, создающей сперматозоиды и яйцеклетки.

Как это происходит, оставалось загадкой десятилетиями. Ученые из Института Слоуна Кеттеринга теперь выяснили это. Ответ включает очень намеренное разрывание и воссоединение ДНК.

Разрыв — ключевая тема мейоза. Во время этого процесса каждая хромосома, полученная от матери, выстраивается в пару с каждой хромосомой, полученной от отца, и они обмениваются сегментами. Прежде чем этот обмен может произойти, ДНК в хромосомах должна быть намеренно разорвана. Обмениваемые области «гомологичны» — они находятся в одном и том же месте вдоль хромосомы и содержат одни и те же гены.

Гомологичная рекомбинация для мужчин гораздо сложнее, потому что большей части X-хромосомы не с чем спариваться. Фактически, лишь очень крошечная часть уже маленькой Y-хромосомы имеет какую-либо гомологию с X. Эта область называется псевдоаутосомной (PAR), и она критически важна для обеспечения того, чтобы X и Y попали в разные сперматозоиды.

Ученым давно известно, что в PAR происходит разрыв и обмен сегментами на уровне, который намного превышает ожидаемый, учитывая ее размер.

«На большинстве хромосом двунитевые разрывы ДНК обычно происходят один раз на каждые 10 миллионов пар оснований, — говорит Скотт Кини, молекулярный биолог из SKI. — PAR у мышей менее 1/10 этого размера, но все равно подвергается частым двунитевым разрывам».

В новом исследовании, опубликованном 27 мая в журнале Nature, доктор Кини и его коллеги — включая молекулярного биолога Лорана Аквавиву и давнего сотрудника Марию Ясин — показывают, как это происходит.

Что такое «капля»?

Ключом к правильному спариванию X и Y, как они обнаружили, является повторяющаяся последовательность ДНК в PAR, которая привлекает несколько белков, связанных с двунитевыми разрывами, в эту область. Эти скопления белков — которые доктор Аквавива назвал «каплями» — изменяют архитектуру хромосомы в этой области таким образом, что PAR становится, как выразились авторы, «самой горячей зоной образования двунитевых разрывов в геноме самца мыши».

Подобные «капли» уже видели на изображениях из опубликованных исследований. Но доктор Аквавива — постдок в лаборатории Кини, ведущий исследователь проекта и соавтор-корреспондент статьи — первым определил, что находится в этих «каплях», и связал их с гипернакоплением двунитевых разрывов в этой области.

«На первый взгляд, "капли" выглядят как беспорядок, который можно увидеть в микроскоп, если эксперимент не удался, — говорит доктор Аквавива. — Но они оказались полностью предсказуемыми по количеству, времени и местоположению, поэтому стало ясно, что на самом деле это очень сложные структуры, которые клетка строит целенаправленно».

Фактически, по его словам, эти «капли» были ключом к пониманию того, как ДНК PAR прикреплена в виде коротких петель к линейной оси, являющейся структурным каркасом хромосомы.

Хотя X-хромосома также имеет эту же повторяющуюся последовательность ДНК, две X-хромосомы в женском мейозе обычно не рекомбинируют в этой области. Почему? Ученые SKI показывают, что это происходит потому, что спаривание между другими областями X, как правило, происходит первым и напрямую препятствует разрывам в PAR.

Эта стратегия привлечения большего, чем ожидалось, количества разрывающих ДНК белков может не ограничиваться областью PAR. В статье, опубликованной ранее в этом месяце, лаборатория Кини показала, что маленькие хромосомы в дрожжах-почках прибегают к аналогичной тактике.

Прорывное партнерство

Эти новые открытия, сделанные на мышах, — последний плод давнего сотрудничества между лабораториями Кини и Ясин в SKI. «Скотт и я начали сотрудничать еще в 1997 году, когда он присоединился к SKI, — говорит она. — Эта статья станет нашей 40-й совместной. Это дань совместной атмосфере SKI». Фактически, сопроводительную редакционную статью, опубликованную вместе с новой работой, написала бывший сотрудник-стажер Франческа Коул, ныне сотрудник Онкологического центра им. М. Д. Андерсона.

Доктора Ясин и Кини интересуются гомологичной рекомбинацией, но привносят в сотрудничество взаимодополняющий опыт. Доктор Ясин — эксперт по репарации двунитевых разрывов у млекопитающих, а доктор Кини — специалист по тому, как мейоз протекает у дрожжей.

В прошлом месяце 39-я статья команды была опубликована в журнале Molecular Cell. В ней они предоставляют самый подробный на сегодняшний день взгляд на то, как репарируются двунитевые разрывы. «Я надеюсь, что это изменит учебную версию того, как цепи ДНК перемещаются во время мейотической рекомбинации, — говорит доктор Ясин. — Но многие захватывающие вопросы еще предстоит решить». Другими словами, следите за новостями от этой команды ученых.