Почему стареющие яйцеклетки плохо восстанавливают повреждения ДНК
Яйцеклетки должны обладать выносливостью: они формируются в организме женщины до рождения и могут находиться в состоянии ожидания десятилетиями, прежде чем будут оплодотворены. Однако с возрастом в них накапливается всё больше повреждений ДНК. До сих пор было неясно, почему клеточные механизмы репарации не исправляют эти повреждения.
Исследователи под руководством Мелины Шу и Нинадини Шармы из Института мультидисциплинарных наук Макса Планка (MPI) в экспериментах на мышах показали, что стареющие яйцеклетки восстанавливают свою ДНК менее эффективно, чем молодые, и с возрастом репарация становится более подверженной ошибкам.
Клетки в организме человека имеют разную продолжительность жизни. Клетки кожи обновляются каждые 2–4 недели, клетки печени живут до 500 дней. Яйцеклетки особенно долгоживущие: они создаются до рождения и не обновляются. Таким образом, у 30-летней женщины яйцеклетки имеют тот же возраст.
Способность яйцеклетки восстанавливать повреждения ДНК имеет решающее значение для её длительного функционирования. Для этого яйцеклетки имеют сложный репарационный аппарат с различными путями восстановления.
Во всех этих путях специальные белки обнаруживают изменения в ДНК и исправляют их. Этот механизм также отвечает за репарацию повреждений ДНК в сперматозоидах отца и в развивающемся эмбрионе. Несмотря на наличие нескольких механизмов репарации ДНК, неисправленные повреждения накапливаются в стареющих яйцеклетках. До сих пор было неясно, почему это происходит.
Менее эффективный и подверженный ошибкам ремонт
Исследовательская группа под руководством директора MPI Мелины Шу сравнила молодые и стареющие яйцеклетки по уровню повреждений ДНК и работе репарационного аппарата. Исследование опубликовано в журнале Current Biology.
С помощью высокоразрешающей флуоресцентной микроскопии команда определила количество повреждений ДНК в яйцеклетках человека и мыши разного возраста, картировала важные репарационные белки в ядре и проанализировала, как их активность и взаимодействие меняются с возрастом. «Мы обнаружили, что репарация ДНК замедляется в старых ооцитах, — говорит Шу. — В результате повреждения ДНК накапливаются в клетке».
Изменяющаяся репарационная сеть
Чтобы лучше понять механизм репарации, исследователи создали «карту» важнейших репарационных белков в ядре яйцеклетки. Карта показала, что белки репарации ДНК расположены в специфических компартментах яйцеклетки.
«Эти компартменты взаимосвязаны или расположены близко друг к другу, что предполагает скоординированную сборку и активность», — объясняет Нинадини Шарма, бывшая аспирантка отдела Шу и первый автор исследования.
«Компартменты репарации ДНК существенно меняются с возрастом, например, их количество, морфология и реакция на повреждение ДНК, — добавляет Шарма. — Чаще используются подверженные ошибкам пути репарации, в то время как безошибочные пути становятся менее эффективными».
Потеря когезина увеличивает повреждения ДНК
Помимо этих изменений, исследователи выявили ещё одну причину увеличения повреждений в стареющих яйцеклетках: количество белка когезина уменьшается с возрастом матери, что приводит к ошибкам сегрегации хромосом. Когезин удерживает сестринские хромосомы вместе до их разделения во время клеточного деления.
В то же время этот белок необходим для репарации ДНК: если цепь ДНК разорвана, он обеспечивает возможность восстановления повреждённого участка, используя неповреждённую цепь ДНК в качестве шаблона.
Однако не только стареющие яйцеклетки страдают от потери когезина. «Интересно, что снижение уровня когезина также приводило к более высокому уровню повреждений ДНК и более медленной репарации в молодых яйцеклетках, — сообщает Шу. — По-видимому, не только более медленный и подверженный ошибкам репарационный аппарат, но и снижение уровня когезина с возрастом способствует накоплению повреждений ДНК и гибели стареющих яйцеклеток».