От растений авокадо до пекарских дрожжей, людей до зебр, размножающихся половым путем организмов, необходимо создавать половые клетки, которые содержат половину количества хромосом, обнаруживаемых в типичной клетке организма. Когда эти половые клетки – такие как сперма и яйцеклетка – объединяются во время оплодотворения, регулярное количество хромосом восстанавливается.

Биологический процесс, который производит половые клетки, является типом клеточного деления, названного мейозом. В результате мейоза каждая половая клетка содержит только одну копию каждой из парных хромосом, обнаруженных в клетке организма. (У людей это 23 хромосомы по сравнению с обычными 46).

В дополнение к уменьшению числа хромосом, мейоз также перетасовывает генетический материал на материнских и отцовских хромосомах, которые находятся в каждой из наших клеток. Хромосомы разбиваются, а затем обмениваются сегментами путем скрещивания друг с другом, прежде чем делиться на дочерние клетки.

Именно из-за этой перестановки вы и ваши братья и сестры выглядят по-разному, несмотря на то, что у вас одни и те же родители: сперма и яйцеклетка, собранные вместе, содержали уникальную комбинацию материнских и отцовских хромосом.

Мейоз является одним из наиболее важных процессов во всей биологии, но многое остается загадочным в его основах. В частности, долгое время был вопрос, как маленькие хромосомы не теряются при перемешивании и рекомбинации при конкуренции с хромосомами, в десять раз превышающими их размер.

Мы уже давно знаем, что более мелкие хромосомы имеют более высокую скорость разрывов двухцепочечных ДНК – разрывов, которые инициируют рекомбинацию. S «Но было неясно, как мелкие хромосомы могут пробить выше своего веса с точки зрения создания этих разрывов».

Скотт Кини, молекулярный биолог, Институт Слоана Кеттеринга, Национальная академия наук

Теперь, по его словам, команда из его лаборатории решила головоломку. Хаджиме Мураками, старший научный сотрудник лаборатории Кини, руководил исследованием и является соавтором, вместе с доктором Кини, в новой статье, описывающей их результаты, опубликованные 6 мая в журнале Nature .

Не забудь обо мне

Для хромосом рекомбинация является не просто эффективным средством создания генетического разнообразия. Это также важно для правильного разделения хромосом в зародышевые клетки. Если эта рекомбинация не происходит, то сегрегация хромосом происходит случайным образом и может привести к неравному распределению хромосом в дочерних клетках. Неправильное количество хромосом в яйце или сперме называется анеуплоидией и является основной причиной врожденных дефектов.

Первым этапом рекомбинации является разрыв двух нитей двойной спирали ДНК – так называемый двухцепочечный разрыв (DSB). Специальные белки (в том числе Spo11, который доктор Кини открыл более двух десятилетий назад) создают DSB в хромосомах. Материнские и отцовские члены каждой пары хромосом затем находят друг друга, и неразрушенная хромосома используется в качестве матрицы для восстановления разрыва в сломанной хромосоме.

После этого процесса разрушения и восстановления материнские и отцовские хромосомы, по сути, связаны друг с другом, так что если вы потянете одну из них, вы привезете с собой партнера. Оказывается, что это временное завязывание узла является важной частью того, как клетки узнают, что два члена пары хромосом готовы разделиться на разные клетки. Поэтому каждой паре хромосом необходим по крайней мере один DSB, чтобы обеспечить ее правильное разделение.

«Если бы образование DSB было случайным процессом, происходящим вслепую во всех хромосомах, то можно было бы ожидать, что очень маленькие хромосомы иногда пропускаются», – говорит доктор Мураками. «Но этого обычно не происходит».

Если это так, говорит он, маленькие хромосомы имеют более высокую скорость разрушения и рекомбинации, чем более длинные хромосомы для данной длины ДНК.

Д-р. Кини, доктор Мураками и их коллеги теперь показывают, как это происходит: привлекая больше белков, которые разрушают хромосомы, чтобы инициировать рекомбинацию, и дольше удерживая их, маленькие хромосомы гарантируют, что они не будут забыты.

Повышение уровня мелких хромосом

Исследователи пришли к своим выводам с помощью серии изящных экспериментов, проведенных на дрожжах Saccharomyces cerevisiae, простом эукариотическом организме с 16 хромосомами, в том числе тремя очень маленькими. В одном эксперименте они спросили: что произойдет, если вы сделаете короткую хромосому длинной, прикрепив ее к более длинному соседу; будет ли он вести себя как короткая хромосома с точки зрения набора разрушающих факторов? Ответ был да.

Они также спросили, что произойдет, если вы сделаете длинную хромосому короткой, разделив ее пополам; будет ли он вести себя как короткая хромосома? Это не так. Эти результаты показывают, что существует фактор, свойственный маленькой хромосоме, который определяет ее поведение, а не ее размер как таковой.

Это дополнительное «повышение», которое имеют маленькие хромосомы, помогает объяснить, как они могут прыгать выше своего веса, обеспечивая рекомбинацию на каждой хромосоме, независимо от того, насколько она мала.