Два года назад ученые медицинских исследований сообщили о трехмерной структуре синаптонемального комплекса плодовой мухи Drosophila melanogaster. Этот крупный белковый комплекс является важнейшим игроком в сегрегации хромосом при мейозе, процессе деления клеток, который приводит к образованию репродуктивных клеток. Синаптонемальный комплекс функционирует у людей и сексуально воспроизводящих животных в направлении достижения нормальной, здоровой беременности.
Недавнее исследование, показало более подробные сведения о том, как синаптонемальный комплекс выполняет свою работу, включая некоторые удивительные нюансы в работе.
"В организме человека существуют различные механизмы, которые могут привести к анеуплоидии, где есть аномальное количество хромосом, - говорит доктор философии, научный сотрудник лаборатории. Материнский возраст является фактором, наиболее связанным с анеуплоидами, вызывающим выкидыш, но вторым по значимости фактором являются хромосомные рекомбинационные дефекты."
Анеуплоидии возникают в 10%-50% случаев беременности у человека. Отсутствие кроссоверов хромосом во время рекомбинации, при которой сломаны и реформированы гомологические цепочки ДНК хромосомных рук, может привести к неправильной секрегации хромосом.
В настоящем исследовании, соавтор первой статьи Биллмайр и его коллеги охарактеризовали роль поперечного белка плодовой мухи C(3)G, белка в центральной области синаптонемального комплекса, в процессе мейотической рекомбинации. Изучая мутантов в C(3)G, которые сохранили некоторую степень функции, они показали, что некоторые хромосомные руки и области более зависимы от нормального синаптонемического комплекса, чем другие.
"Синаптонемальный комплекс подобен пикам молнии и держит пару хромосом во время мейоза, - объясняет Хоули. "Гены, выполняющие эту функцию в различных организмах, было очень трудно изучить, потому что, когда в них происходят мутации, они обычно делают ген или белок полностью нефункциональными."
"С лабораторной точки зрения, мы впервые узнали около 16-17 лет назад, что компоненты синаптонемального комплекса заслуживают тщательного изучения, - говорит Хоули. "Это один из первых случаев частичной утраты функциональности одного из этих генов, и мы смогли более подробно изучить, как он работает. "Было удивительно иметь этот инструмент после стольких лет работы."
"Мы подозревали, что изменение длины прогнозируемого участка катушки белка C(3)G может вызвать проблемы, - говорит Биллмайр. Команда изготовила несколько штаммов плодовой мухи, каждый из которых имел различные нарушения в катушке C(3)G, используя очень точный подход к редактированию генов.
Используя систему CRISPR/Cas9, соавтор докторской диссертации Кори Кахун (Cori Cahoon), которая провела свои докторские исследования в лаборатории Хоули, разработала три штамма плодовой мухи с точными удалениями, разработанными для нарушения домена катушки.
Наибольшее удаление удалило последовательность 213 аминокислот, а остальные удалили последовательность 16 аминокислот и последовательность 7 аминокислот в пределах целевого региона большего удаления. Когда были охарактеризованы мутантные фенотипы, результаты совсем не соответствовали ожиданиям исследователей.
"Пока Кэти и Кори не провели анализ, правила заключались в том, что все, что влияет на взаимодействие хромосом, верно для всех хромосом, - говорит Хоули.
Биллмайр и Кахун обнаружили, что делеции влияют на Х-хромосому иначе, чем на автосомы (не-секс-хромосомы). Например, удаление как 213 аминокислот, так и 7 аминокислот, но не 16 аминокислот, продемонстрировало значительное снижение темпов рекомбинации хромосомы Х.
Кроме того, у трех уничтожающих мутантов были обнаружены дефекты синаптонемального комплекса, которые возникли в разное время. Преждевременная потеря интактного синаптонемального комплекса происходила на разных стадиях мейоза у каждого мутанта. Следует отметить, что хотя мутант удаления 7 аминокислот обладал наименьшими возможностями для удаления последовательности, исследователи обнаружили, что нетронутый синаптонемальный комплекс так и не сформировался.
Взятые вместе, эти результаты подчеркивают, что "для некоторых белков их структура может быть важнее, чем их первичная последовательность аминокислот", говорит Хоули.
"Мы не ожидали увидеть эти различные фенотипы на разных хромосомах. Мы бы предсказали, что если бы у вас что-то не так с синаптонемальным комплексом, вы бы увидели похожий эффект везде, - говорит Биллмайр. Но, по ее словам, "есть явные различия в том, как хромосома X и автосома реагируют на их окружение".
Будь то идентичность хромосом (пол или автосома) или их структура, которая вызывает дифференциальные взаимодействия с синаптонемическим комплексом, еще предстоит выяснить.
"Я считаю, что хромосомно-специфический аспект фенотипа очень актуален для мейотических дефектов человека", - говорит Биллмайер.
Hawley Lab планирует расширить это исследование, используя подход структурной биологии и маркеры, чтобы определить, является ли местоположение синаптонемального комплекса местом пересечения, как белки в синаптонемальном комплексе взаимодействуют, и как такие небольшие делеции могут привести к нестабильности синаптонемального комплекса.
Билльмир имеет опыт в области развития и клеточной биологии, и она планирует продолжить эту работу, чтобы лучше понять, почему одни регионы генома более чувствительны к рекомбинационным дефектам, чем другие, и как местоположение кроссовера влияет на сегрегацию хромосомы.