Во время мейоза каждый набор гомологичных хромосом объединяется в пары в своего рода хромосомном кадриль: хромосома 1 с хромосомой 1, 2 с хромосомой 2 и так далее. Партнеры держатся вместе, танцуя через фазы мейоза, пока не наступит время сегрегировать или разделиться на противоположные концы делящейся клетки.
Когда танцоры не соединяются или не расстаются должным образом, это может привести к образованию яйцеклеток и сперматозоидов с неправильным числом хромосом, что является основной причиной выкидыша и врожденных дефектов.Чтобы избежать этих ошибок, большинство хромосом используют процесс, известный как кроссинговер, связывая свои руки с партнерами и даже обмениваясь частями генетического материала, чтобы держаться вместе, пока танец не закончится. Некоторые хромосомы, такие как хромосома 4 у плодовой мушки Drosophila melanogaster, слишком короткие для этих кроссоверов.
Тем не менее, каким-то образом они придумали другой способ оставаться на связи со своими партнерами.Ранее Стейси Э. Хьюз, доктор философии, исследователь II Института медицинских исследований Стоуэрса, идентифицировала тонкие нити ДНК, которые, казалось, связывали эти другие гомологичные хромосомы вместе.
Тем не менее, оставался главный вопрос: как только эти хромосомы объединяются в пары, как им удается снова разделиться?Теперь Хьюз и Р. Скотт Хоули, доктор философии, показали, что фермент под названием топоизомераза II необходим для разделения этих нитей, чтобы гомологичные хромосомы могли разойтись. Открытие, опубликованное в выпуске PLoS Genetics от 23 октября 2014 г., подчеркивает сложность мейотического процесса.
«Неудивительно, что существует множество способов разделения хромосом, потому что есть также много способов контролировать другие молекулярные процессы, такие как экспрессия генов», — говорит Хоули, исследователь Института Стоуэрса и профессор исследований Американского онкологического общества. «Этот метод разделения более коротких хромосом может быть неуклюжим, странным, безумным и настолько неканоническим, насколько это возможно, но это не имеет значения, потому что клетки выживают. В конце концов, эти процессы не должны быть элегантными, они просто должен работать."С тех пор, как Хьюз впервые открыла нити ДНК, она и Хоули искали молекулярные ножницы, отвечающие за освобождение запутанных хромосом. Наиболее заметным кандидатом, появившимся в результате их поиска, была топоизомераза II, фермент, который, как известно, разрезает и раскручивает спутанные нити двойной спирали.
Предыдущие исследования показали, что топизомераза II участвует в более ранних клеточных процессах, таких как репликация ДНК, и фермент все еще обнаруживается даже на более поздних этапах мейоза.
Исследователи думали, что топоизомераза II может ждать, чтобы выполнить еще одну работу — разрезать нити ДНК, чтобы позволить гомологичным хромосомам разделиться.Проверка их гипотезы казалась относительно простой. Исследователям просто нужно было «выбить» топоизомеразу II в выбранном ими модельном организме — самке плодовой мухи — а затем посмотреть, может ли мейоз нормально протекать без нее.
Однако, поскольку фермент участвует во многих критических клеточных процессах, исследователи знали, что такой подход не приведет ни к чему, кроме мертвых дрозофил.Вместо этого они адаптировали изощренный метод, известный как РНК-интерференция, который использует небольшие фрагменты химической родственной РНК ДНК, чтобы заглушить гены, и удалили топоизомеразу II в определенный момент времени на поздней стадии мейоза.
Затем Хьюз выделил ооциты плодовых мушек и проанализировал их с помощью флуоресцентных меток, которые освещают нити ДНК, соединяющие хромосомы. Их выводы были впечатляющими.
«Без этого фермента хромосомы не могут разделиться, они склеены, как клей», — говорит Хьюз. «Есть большие участки хромосом, которые связаны между собой этими нитями, в то время как остальные растянуты, как обтягивающие, поскольку хромосомы тянутся в противоположных направлениях. Это просто беспорядок. Поскольку хромосомы просто застряли там, они могут Не доводите до мейоза ".В результате мухи-мутанты по существу бесплодны.
Отдельное исследование, опубликованное в том же журнале, показывает, что у мутантов-самцов схожая судьба, их сперматоциты навсегда заблокированы в незрелом состоянии. Без топоизомеразы II ооциты и сперматоциты заблокированы в мейозе, неспособные выполнить следующие шаги — оплодотворение, деление и дифференцировку клеток — необходимых для создания нового организма.Работа частично финансировалась Институтом медицинских исследований Стоуэрса и Американским онкологическим обществом (номер награды RP-05-086-06-DDC).Резюме выводов
Во время образования яйцеклеток и сперматозоидов хромосомы клетки должны объединиться в пары и разделиться в сложной последовательности, в результате чего половые клетки имеют ровно половину количества хромосом, чем у родительской клетки. Одна ошибка может привести к бесплодию, выкидышу и врожденным дефектам.
Недавние исследования показали, что некоторые хромосомы избегают этих ошибок, используя тонкие нити ДНК, чтобы связать себя вместе, но как они снова развязываются, неясно. В текущем выпуске научного журнала PLoS Genetics ученые Института Стоуэрса сообщают, что для освобождения этих запутанных хромосом требуется фермент под названием топоизомераза II.
Второй научный сотрудник Стоуэрса Стейси Э. Хьюз, доктор философии, руководившая исследованием, объясняет, что без фермента самки плодовых мушек не смогли бы завершить мейоз и стали полностью стерильными. Топоизомераза II, вероятно, разрешает переплетения ДНК путем разрезания и раскручивания запутанной ДНК, как и в других процессах, таких как репликация ДНК.