Качество яйцеклеток и сперматозоидов, формирующихся в организме, критически важно для успешного зачатия и здорового развития потомства. Этот процесс требует безупречной точности в разделении и сортировке хромосом, содержащих ДНК. Профессор Нил Хантер из департамента микробиологии и молекулярной генетики Калифорнийского университета в Дэвисе раскрыл ключевой механизм, который обеспечивает это точное соединение хромосом, предотвращая тем самым проблемы с фертильностью и генетические заболевания.
Ошибки в этом деликатном процессе могут привести к неправильному числу хромосом в половых клетках, что, по словам профессора Хантера, является причиной бесплодия, выкидышей или рождения детей с такими генетическими заболеваниями, как синдром Дауна.
В недавней публикации в журнале Nature команда профессора Хантера представила значимое открытие, касающееся механизма защиты от таких ошибок. Исследователи детально описали взаимодействие белков, которые обеспечивают надежное соединение парных хромосом, гарантируя их правильное распределение во время развития и деления яйцеклеток и сперматозоидов.
Чтобы проследить молекулярные процессы хромосомной рекомбинации с беспрецедентной точностью, команда Хантера использовала методы генетической инженерии дрожжей. Этот модельный организм десятилетиями применяется в исследованиях фундаментальных клеточных механизмов, поскольку, как отмечает профессор, «хромосомные структуры, которые мы изучали, очень мало изменились в процессе эволюции». Практически каждый исследованный в дрожжах белок имеет прямой аналог у человека, что делает эти результаты крайне важными для понимания и лечения проблем фертильности у людей.
В каждой клетке человека содержится 46 хромосом, организованных в 23 гомологичные пары, где одна хромосома в паре наследуется от одного родителя, другая – от второго. В начале формирования половых клеток эти парные хромосомы выстраиваются в ряд, обмениваются участками ДНК, а затем воссоединяются. Такие обмены, известные как «кроссоверы», выполняют две ключевые функции.
Во-первых, кроссоверы обеспечивают, чтобы каждая хромосома, передаваемая потомству, несла уникальную комбинацию генов от обоих родителей. Во-вторых, они удерживают хромосомы соединенными в парные структуры, что необходимо для их правильного распределения при делении клеток, образующих яйцеклетки и сперматозоиды. Профессор Хантер подчеркивает, что поддержание этих кроссоверных связей особенно важно для женского организма.
Когда хромосомы объединяются в развивающихся половых клетках, соответствующие нити ДНК обмениваются и переплетаются на коротком участке, образуя структуру, известную как «двойная Холлидеевская структура» (double Holliday junction). Затем нити ДНК в этой структуре разрезаются, чтобы соединить хромосомы, формируя кроссовер.
Существуют значительные различия в этом процессе между мужскими и женскими половыми клетками. У мужчин незрелые сперматозоиды сразу же делятся, распределяя хромосомы. В то же время, развитие яйцеклеток в фетальных яичниках останавливается после формирования кроссоверов. Эти незрелые яйцеклетки могут находиться в состоянии «приостановленной анимации» десятилетиями после рождения, активируясь только перед овуляцией. Лишь тогда процесс возобновляется – яйцеклетка завершает деление, и соединенные кроссоверами хромосомные пары окончательно разделяются, чтобы передать зрелой яйцеклетке одиночный набор хромосом. «Сохранение кроссоверных связей на протяжении многих лет является серьезной проблемой для незрелых яйцеклеток», – объясняет Хантер.
Если хромосомные пары не связаны хотя бы одним кроссовером, они могут потерять контакт, что приводит к неправильному разделению при делении клетки. В результате образуются яйцеклетки с недостающим или избыточным числом хромосом. Такие нарушения могут вызывать бесплодие, выкидыши или генетические заболевания, например, синдром Дауна, при котором ребенок рождается с дополнительной копией 21-й хромосомы, что ведет к когнитивным нарушениям, порокам сердца и другим проблемам.
В течение многих лет профессор Хантер посвятил себя изучению механизмов формирования кроссоверов и причин, по которым этот процесс может нарушаться, приводя к репродуктивным проблемам. Изучение дрожжей позволило ученым напрямую визуализировать молекулярные события разрешения двойных Холлидеевских структур в синхронизированных клеточных популяциях. Хантер и его тогдашний научный сотрудник Шангминг Танг (ныне доцент Университета Вирджинии) применили метод под названием «генетика в реальном времени» для исследования функций белков, связывающихся с этими структурами. Они заставляли клетки деградировать один или несколько специфических белков в ассоциированных со структурами соединениях, а затем анализировали ДНК, чтобы определить, были ли соединения разрешены и образовались ли кроссоверы. Таким образом, они воссоздали полную картину работы сети белков, обеспечивающих формирование кроссоверов.
«Эта стратегия позволила нам ответить на вопрос, который ранее считался неразрешимым», – говорит Хантер. Исследователи выявили ключевые белки, такие как когезин, которые предотвращают преждевременное разрушение соединений ферментом, известным как STR-комплекс (или Bloom complex у человека). «Они защищают двойную Холлидеевскую структуру, – подчеркивает Хантер. – Это ключевое открытие». Это многолетнее исследование на дрожжах имеет широкое значение для репродукции человека, поскольку этот процесс мало изменился в ходе эволюции. Нарушение защиты двойных Холлидеевских структур, вероятно, связано с проблемами фертильности у людей.
Помимо Шангминга Танга, в работе над проектом участвовали семь студентов бакалавриата из Колледжа биологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе: Дженнифер Ку, Мохаммад Пурхоссейнзаде, Эмеральд Нгуен, Натали Лю, Кристофер Ма, Ханью Лу и Моника Ли. Среди соавторов статьи также Сара Харири, Регина Бон и Джон Е. Маккарти, все из лаборатории Хантера. Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения и Медицинским институтом Говарда Хьюза, а также получило поддержку от Комплексного онкологического центра Калифорнийского университета в Дэвисе, Американского общества по борьбе с раком, Concern Foundation for Cancer Research и Damon Runyon Cancer Foundation. Работа профессора Хантера по изучению кроссоверов и гомологичной рекомбинации проводилась с использованием передовых научных объектов университета, включая Центр протеомики, Лабораторию световой микроскопии MCB, Геномный центр, Программу биологии мышей и Комплексный онкологический центр.
