Яйцеклетки и сперматозоиды являются особыми клетками по многим причинам, но одна из характеристик, которая их отличает, заключается в том, что, в отличие от других человеческих клеток, которые имеют две копии 23 хромосом, одну от матери и одну от отца, эти половые клетки или гаметы имеют только одну.

Предыдущее исследование, проведенное Майклом Лэмпсоном из Школы искусств и наук Пенна, показало, что эти хромосомы не передаются гаметам случайно; определенные факторы могут склонить чашу весов к себе, увеличивая вероятность того, что одна из двух копий будет передана следующему поколению.

В новой статье Лэмпсон и его коллеги раскрывают силу, действующую для уравновешивания весов во время мейоза, процесса деления клеток, который приводит к образованию гамет, приближая шансы к 50-50, что конкретная хромосома попадет в жизнеспособное яйцо.

Работа, опубликованная в журнале Cell обнаруживает, что, хотя существует механизм, дающий определенным хромосомам преимущество во время мейоза, отдельный параллельный путь действует, чтобы подавить это преимущество. По словам исследователей, белки, которые действуют по обоим путям, по-видимому, находятся в эволюционной гонке вооружений, чтобы потенциально избежать возможности предвзятого наследования хромосом, приводящего к ошибкам и аномалиям в яйцеклетках, таким как анеуплоидия или аномальное количество хромосом, что может привести к врожденным дефектам.

Если мы думаем об этих хромосомах, которые попадают в яйцеклетку, как об эгоистичных, эгоизм подразумевает, что они максимизируют свою передачу за счет некоторой стоимости для всего организма. Если есть цена, то могут быть другие гены, которым необходимо подавить эгоистичные гены или подавить эту цену ».

Майкл Лэмпсон, Школа искусств и наук Пенна

Текущая работа была направлена ​​на поиск этого подавляющего пути, основываясь на статье 2017 года в Science в которой Лэмпсон и сотрудники его лаборатории изложили механизм, с помощью которого возникает асимметрия в мейотическом веретене, т.е. структура, состоящая из микротрубочек, которая тянет хромосомы к противоположным сторонам клетки до деления. Эта асимметрия привела к ошибкам в передаче хромосом. Они обнаружили, что «эгоистичные» центромеры, часть хромосомы, которая прикрепляется к веретену, с большей вероятностью, чем «бескорыстные» центромеры, были в состоянии отсоединиться и присоединиться к той стороне клетки, которой суждено было стать жизнеспособным яйцом, а не полярное тело, которое обычно деградирует.

Затем в статье 2019 года в Cell исследователи изложили более подробную информацию о процессе. Они обнаружили, что эгоистичные центромеры способны влиять на передачу, рекрутируя определенные белки, которые дестабилизируют прикрепление к веретену, снова увеличивая вероятность попадания в яйцо, а не в полярное тело. Эти белки сыграли роль в отсоединении центромер от веретена.

«Мы пришли к пониманию того, как работает эгоизм», – говорит Лэмпсон, поэтому в новой статье «мы хотели понять, как работает подавление».

Более ранние исследования показали, что некоторые белки, действующие на центромеру, быстро эволюционировали у различных видов животных. Лэмпсон и его коллеги выдвинули гипотезу, что эта быстрая эволюция может свидетельствовать о «гонке вооружений» между эгоистичными и подавляющими факторами, сродни тому, что наблюдается в иммунной системе, которая может быстро развиваться, чтобы реагировать на меняющиеся угрозы со стороны патогенов.

«Было удивительно обнаружить целый набор быстро эволюционирующих белков, функционирующих на центромере, потому что можно было бы ожидать, что они будут высококонсервативными, потому что они так важны для деления клеток», – говорит Лэмпсон. «Но это признак гонки вооружений, такой же, как мы видим в иммунной системе: если эгоистичные центромеры собираются жульничать, вероятно, есть белки, которые эволюционируют, чтобы подавить это подавление»

Исследователи уже знали, что эффекторные белки, которые влияют на передачу хромосом, рекрутируются в центромеру путем, известного как кинетохорный путь. Чтобы найти супрессивный путь, они обратились к гетерохроматину, плотно упакованной ДНК, которая, как известно, рекрутирует белки в центромеру. Чтобы проверить, может ли гетерохроматиновый путь уравновешивать смещающий эффект кинетохорного пути, исследователи выборочно модифицировали фермент, который действовал на каждом пути.

Когда они модифицировали белок CENP-C, нарушив кинетохорный путь, они наблюдали смещение между эгоистичным и бескорыстным снижением центромеры, при этом хромосомы выстраивались в клетке более симметрично до завершения мейоза. Напротив, когда они удалили белок CENP-B, который участвует в рекрутировании белков в пути гетерохроматина, асимметрия в хромосомах стала более выраженной, а эгоистичные центромеры позволили смещать передачу хромосом в яйцо.

«Кажется, здесь действуют эти тонкие изменения, – говорит Лэмпсон, – потому что оба этих пути важны. Вы не можете убить путь кинетохор, потому что он фундаментален для деления клеток, но в то же время вы хотите уменьшают возможность для центромер быть эгоистичным. Таким образом, эволюция, похоже, действует, чтобы реагировать на это одновременное давление »

Открытия проливают свет на эволюционное поле битвы, присутствующее в наших собственных телах, – говорит Лэмпсон. «Я думаю, это действительно интересно, что есть эти эгоистичные компоненты наших собственных геномов, которые играют важную роль. Эти очень, очень фундаментальные аспекты нашей клеточной биологии фактически отражают конкурирующее давление»

Он и его коллеги надеются продолжить изучение в ходе последующей работы, могут ли потенциальные издержки эгоистичных факторов привести к серьезным ошибкам в производстве гамет или другим проблемам в мейозе. «Самки откладывают не так много яиц, – говорит Лэмпсон, – поэтому можно подумать, что каждое из них будет драгоценным, и мы не хотим делать никаких ошибок. Но иногда случаются ошибки; иногда попадает слишком много хромосом. Итак, связаны ли ошибки как-то с этими эгоистичными факторами? "