Прозрачные черви со светящимися белками могут помочь в лечении бесплодия

Развитие материнских яйцеклеток критически важно для выживания, но и крайне уязвимо. Во время мейоза хромосомы, содержащие ДНК, могут легко повреждаться или теряться, что приводит к бесплодию, выкидышам или генетическим нарушениям, таким как синдром Дауна. Ученые сталкивались с трудностями при изучении этих ключевых клеточных событий у людей и других млекопитающих.

Фрэнсис МакНалли, профессор молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Дэвисе, изучает этот процесс на прозрачных почвенных червях Caenorhabditis elegans. Этот крошечный червь длиной в миллиметр и шириной в несколько человеческих волос позволяет наблюдать развитие яйцеклетки и её оплодотворение сперматозоидом в реальном времени под микроскопом за 45 минут.

Удаленный родственник с удивительным сходством

C. elegans имеет простейшее строение («по сути, это кишечник и две гонады»), но его ДНК содержит более 19 000 генов. Многие из них являются гомологами генов человека, участвующих в делении клеток и производстве яйцеклеток.

МакНалли изучает мейоз — процесс, при котором материнская яйцеклетка с четырьмя наборами хромосом дважды делится, чтобы в итоге получить по одной копии каждой хромосомы. Ключевую роль в этом деликатном процессе играет веретено деления — белковая структура, состоящая из микротрубочек («щупалец»), которые прикрепляются к хромосомам и растаскивают их к полюсам клетки.

Хореография хромосом

Для изучения процесса МакНалли использует генетически модифицированные линии червей. Гены определенных белков модифицированы так, что те, будучи присоединены к белку медузы, светятся определенным цветом (красным, зеленым или синим) под ультрафиолетом. Это позволяет в реальном времени снимать на видео, как помеченные белки управляют движением хромосом.

Исследуя белок катанин (названный в честь японского меча катана), который «подрезает» микротрубочки, ученый в 2014 году обнаружил, что без постоянной «обрезки» микротрубочки растут хаотично и сдвигают хромосомы с положенного места.

В июле 2023 года в журнале eLife МакНалли с коллегами сообщили, что катанин вместе с двумя другими белками — кинезином-13 и атаксином-2 — предотвращает преждевременное смешивание ДНК сперматозоида и яйцеклетки до завершения мейоза, что могло бы привести к гибели потомства.

В августе 2023 года в Life Science Alliance была опубликована еще одна работа, показавшая, что сборка микротрубочек запускается не только белками, но и физической силой — теснотой. Белковые сегменты, скученные внутри небольшого прозрачного мешочка, самопроизвольно начинают слипаться и собираться в структуры.

Открытия, сделанные на червях, дают исследователям возможность проверить, происходят ли аналогичные процессы у млекопитающих. Как отмечает МакНалли, некоторые найденные у червей механизмы будут в точности такими же у людей, а некоторые — другими, и оба варианта важны и интересны для понимания эволюции и решения проблем фертильности.