Απρόσεκτο ψάρεμα: όταν η μείωση πάει στραβά Understand article

Μετάφραση από: Νέλλη Δέλλιου (Nelli Delliou) - Φοιτήτρια Βιολογίας, ΑΠΘ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια Ένωση…

Τα χρωμοσώματα (μπλε)
παρατάσσονται
προετοιμαζόμενα για το
διαχωρισμό. Οι κινητοχώροι
(κόκκινοι) συνδέουν τα
χρωμοσώματα στους
μικροσωληνίσκους του
κυττάρου (πράσινο).

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Tomoya
Kitajima, EMBL.

Στο πανηγύρι ενός χωριού, πέρα από τα συγκρουόμενα αυτοκίνητα και το μαλλί της γριάς, το μέτωπο ενός παιδιού ρυτιδώνεται από τη συγκέντρωση. Κάνει το καλύτερο δυνατό για να πιάσει ένα ξύλινο ψάρι από μια πλαστική λιμνούλα, χρησιμοποιώντας τον μαγνήτη στο τέλος του καλαμιού ψαρέματός του. Παγώστε την σκηνή, γυρίστε πίσω κατά τη διάρκεια όλης της ανάπτυξης ενός παιδιού, πέρα από το σημείο που το σπερματοζωάριο γονιμοποίησε το ωάριο, μέχρι τη στιγμή που σχηματίστηκε το ίδιο το ωάριο, και θα βρείτε σε δράση ένα παρόμοιο παιχνίδι ψαρέματος. Η διαφορά, όπως διαπίστωσαν οι επιστήμονες στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL, βλέπε πλαίσιο) ), είναι ότι τα παιδιά που χειρίζονται τους μαγνήτες είναι πιθανόν πιο επιτυχημένοι ψαράδες από ότι ο μηχανισμός του ωαρίου (Kitajima et al., 2011).

Καθώς ένα ωοκύτταρο ωριμάζει μέσα στην ωοθήκη μιας γυναίκας, υφίσταται ένα είδος κυτταρικής διαίρεσης που ονομάζεται μείωση, στην οποία τα ζεύγη των χρωμοσωμάτων στο εσωτερικό του παρατάσσονται και ψαρεύονται ένα – ένα και τα μισά από αυτά εξοβελίζονται. Τα χρωμοσώματα συγκεντρώνονται από ολόκληρο το κύτταρο (Mori et al., 2011) και ψαρεύονται από πρωτεϊνικές ίνες που ονομάζονται μικροσωληνίσκοι. Όπως το καλάμι ψαρέματος του παιδιού τραβάει ένα ψάρι – παιχνίδι από το μαγνήτη του, ένας μικροσωληνίσκος παγιδεύει ένα χρωμόσωμα από τον κινητοχώρο του – ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών και γενετικού υλικού στο κέντρο του χρωμοσώματος σε σχήμα Χ.  

Τα κύρια γεγονότα της ανθρώπινης μείωσης κατά την ωρίμανση των ωοκυττάρων. Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση.
Α: Κατά τη διάρκεια των πέντε πρώτων μηνών της ανάπτυξης ενός θηλυκού ανθρώπινου εμβρύου, σχηματίζονται όλα τα πιθανά μελλοντικά ωάρια. Σε κάθε ένα από αυτά τα κύτταρα, μετά το διπλασιασμό του DNA, τα ομόλογα χρωμοσώματα ανταλλάσσουν γενετικό υλικό κατά τη διάρκεια του επιχιασμού. Η μείωση στη συνέχεια διακόπτεται μέχρι την ωοθυλακιορρηξία και τα περισσότερα από τα δυνητικά ωάρια πεθαίνουν ξανά.
Β: Μεταξύ της εφηβείας και της εμμηνόπαυσης, κατά τη διάρκεια κάθε καταμήνιου κύκλου, μερικά δυνητικά ωάρια προχωρούν περαιτέρω στα στάδια της μείωσης, αλλά μόνο ένα κάθε φορά τελικά ολοκληρώνει την διαδικασία. Τα ομόλογα χρωμοσώματα παρατάσσονται στον ισημερινό των πρωτογενών ωοκυττάρων και στη συνέχεια έλκονται από τους μικροσωληνίσκους. Το πρωτογενές ωοκύτταρο διαιρείται σε ένα δευτερογενές ωοκύτταρο και ένα πολικό σωμάτιο.
Τώρα οι ζευγαρωμένες χρωματίδες παρατάσσονται στους ισημερινούς τόσο του πολικού σωματίου όσο και του ωοκυττάρου, και την στιγμή της ωορρηξίας, οι μικροσωληνίσκοι προσδένονται σε αυτές. Η μείωση σταματά εδώ μέχρι τη γονιμοποίηση. Γ: Αν συμβεί γονιμοποίηση, οι ζευγαρωμένες χρωματίδες διαχωρίζονται, μετακινούμενες στους αντίθετους πόλους των κυττάρων. Το πολικό σωμάτιο διαιρείται στα δύο, το δευτερογενές ωοκύτταρο διαιρείται σε ένα τρίτο πολικό σωμάτιο και ένα ώριμο ωάριο, και η μείωση ολοκληρώνεται. Κάθε ένα από τα τέσσερα θυγατρικά κύτταρα που προκύπτουν έχει διαφορετική γενετική σύνθεση.
Το γενετικό υλικό των πολικών σωματίων αποβάλλεται, ενώ αυτό των ώριμων ωαρίων ενώνεται με το γενετικό υλικό του σπερματοζωαρίου, για να ξεκινήσει η ανάπτυξη ενός νέου εμβρύου. Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Nicola Graf
 

Εξετάζοντας ωάρια ποντικού στο μικροσκόπιο, ο επιστήμονας του EMBL Tomoya (Tomo) Kitajima, ήταν ο πρώτος που παρακολούθησε τις κινήσεις όλων των κινητοχώρων ενός ωαρίου κατά τη διάρκεια ολόκληρης της κυτταρικής διαίρεσης – και τις 10 ώρες του φαινομένου. «Ήμασταν σε θέση, για πρώτη φορά, να παρακολουθούμε όλους τους κινητοχώρους κατά την κυτταρική διαίρεση – έτσι δεν υπάρχει ούτε ένα χρονικό σημείο όπου είναι αμφίβολο πού βρίσκεται αυτό το τμήμα του χρωμοσώματος – και αυτό αποτελεί πραγματικά μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα, επιτυγχάνοντάς το σε αυτά τα μεγάλα και φωτοευαίσθητα κύτταρα», λέει ο Jan Ellenberg, ο οποίος ηγείται της ερευνητικής ομάδας.

Διάγραμμα ενός
χρωμοσώματος. Το
κεντρομέρος (κόκκινη
κουκκίδα) είναι το μέρος
συναρμολόγησης του
κινητοχώρου
.
Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Tryphon.
Πηγή εικόνας: Wikimedia
Commons

Ο Tomo χρησιμοποίησε λογισμικό που είχε προηγουμένως αναπτυχθεί στο εργαστήριο του Jan, το οποίο του επέτρεψε να προγραμματίσει ένα μικροσκόπιο σάρωσης με λέιζερ για να εντοπίσει τα χρωμοσώματα στον τεράστιο εσωτερικό χώρο του ωαρίου, και μετά να τα κινηματογραφήσει κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης.

«Το ωοκύτταρο είναι ένα μεγάλο κύτταρο, αλλά τα χρωμοσώματα βρίσκονται σε ένα μόνο μικρό μέρος του κυττάρου αυτού, και αυτό ήταν που μας ενδιέφερε. Έτσι απλά, φτιάξαμε τα μικροσκόπιά μας αρκετά έξυπνα ώστε να μπορούν να αναγνωρίζουν πού βρίσκονται τα χρωμοσώματα και μετά να μεγεθύνουν, στο χώρο και στο χρόνο, μόνο σε αυτή την περιοχή», εξηγεί ο Jan.

Με το να εστιάζει το μικροσκόπιο μόνο στο μέρος του κυττάρου όπου βρίσκονται τα χρωμοσώματα, ο Tomo ήταν σε θέση να αποκτήσει εικόνες υψηλής ανάλυσης σε σύντομα διαστήματα μόνο του ενάμιση λεπτού, γεγονός που του έδωσε μια πολύ ξεκάθαρη εικόνα της διαδικασίας. Και, επειδή το μικροσκόπιο έριχνε φως μόνο σε αυτή την μικρή περιοχή του ωοκυττάρου, προκάλεσε λιγότερες βλάβες στο κύτταρο, το οποίο επέτρεψε στους επιστήμονες να συνεχίσουν την απεικόνιση των 10 ωρών της κυτταρικής διαίρεσης (βλέπε το πλαίσιο για περισσότερα σχετικά με την έξυπνη μικροσκοπία).

Ψάρεμα με μαγνήτες
Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του QUOI Media.
Πηγή εικόνας: Flickr

Πίσω στην λιμνούλα ψαρέματος, τα πνεύματα μπορούν να οξυνθούν και οι φωνές υψώνονται σε οξεία κατηγορία: «Αυτό είναι εξαπάτηση! Δεν μπορείς να σπρώξεις το ψάρι με το καλάμι σου!» Χάρη στη δουλειά του Jan και του Tomo, το κατηγορούμενο παιδί θα μπορούσε να υποστηρίξει, στην υπεράσπισή του, ότι τα κύτταρά του ήδη «εξαπατούσαν» με αυτόν τον τρόπο πριν καν το ίδιο γεννηθεί. Όταν οι επιστήμονες του EMBL ανέλυσαν τα βίντεο, διαπίστωσαν ότι, πριν οι μικροσωληνίσκοι συνδεθούν στους κινητοχώρους, ωθούν τα χρωμοσώματα σε μια ευνοϊκή θέση, όπως ένα παιδί επανατοποθετεί ένα ψάρι με την άκρη του καλαμιού του. Οι μικροσωληνίσκοι ωθούν τους χρωμοσωμικούς βραχίονες, διευθετώντας τα χρωμοσώματα σε ένα δακτύλιο από τον οποίο μπορούν στη συνέχεια να τα ψαρέψουν πιο εύκολα.

«Αλλά ακόμα και με αυτή την προεπεξεργασία, εξακολουθεί να μην δουλεύει πολύ καλά», λέει ο Jan. «Είδαμε ότι το 90% των συνδέσεων των κινητοχώρων ήταν αρχικά λανθασμένα εγκατεστημένες και οι μικροσωλήνισκοι έπρεπε να απελευθερώσουν το χρωμόσωμα και να ξαναπροσπαθήσουν – κατά μέσο όρο, αυτό έπρεπε να γίνει τρεις φορές ανά χρωμόσωμα».

Η απάτη των
μικροσωληνίσκων: πριν
ξεκινήσουν να προσδένονται
στους κινητοχώρους
(πράσινο), οι
μικροσωληνίσκοι ωθούν τα
χρωμοσώματα (κόκκινα) σε
ένα δακτύλιο γύρω από το
κέντρο της ατράκτου.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Tomoya
Kitajima, EMBL.

Οι επιστήμονες στις ΗΠΑ έχουν πλέον δείξει ότι η ίδια ‘απάτη’ συμβαίνει επίσης και στον άλλο τύπο κυτταρικής διαίρεσης, τον οποίο υφίστανται τα κύτταρά μας όταν μεγαλώνουμε ή όταν οι ιστοί μας όπως το δέρμα αναγεννώνται (Magidson et al., 2011). Σε αυτόν το δεύτερο τύπο κυτταρικής διαίρεσης, τη μίτωση, ένα κύτταρο διαιρείται σε δύο θυγατρικά κύτταρα, καθένα με την ίδια ποσότητα γενετικού υλικού όπως το ‘μητρικό κύτταρο’, αντί για το μισό γενετικό υλικό όπως στη μείωση. Αλλά τα ευρήματα του Jan και του Tomo υπογραμμίζουν ότι το ψάρεμα των χρωμοσωμάτων περιλαμβάνει πολύ περισσότερα λάθη στη μείωση του ωαρίου από ότι στη μίτωση. Ο μεγαλύτερος βαθμός σφάλματος στη μείωση θα μπορούσε, πιστεύουν οι επιστήμονες, να οφείλεται σε μια θεμελιώδη διαφορά στο πώς οι μικροσωληνίσκοι ψαρεύουν χρωμοσώματα στους δυο τύπους κυτταρικής διαίρεσης.

Μίτωση: αφού το κύτταρο
έχει διπλασιάσει το DNA

του, τα χρωμοσώματα
παρατάσσονται στον
ισημερινό του κυττάρου. Οι
μικροσωληνίσκοι
συνδέονται στους
κινητοχώρους των αδελφών
χρωματίδων και τις
χωρίζουν. Μετά τη μίτωση,
το κύτταρο διαιρείται. Τα
δύο θυγατρικά κύτταρα που
προκύπτουν είναι γενετικά
ταυτόσημα με το μητρικό
κύτταρο. Κάντε κλικ στην
εικόνα για μεγέθυνση.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Mysid. Πηγή
εικόνας: Wikimedia Commons

Κατά τη διάρκεια της μίτωσης, οι ράβδοι των μικροσωληνίσκων ξεκινούν να σχηματίζονται σε δύο αντίθετα σημεία του κυττάρου και συγκεντρώνονται σε μια δομή σε σχήμα λεμονιού – την άτρακτο – που στη συνέχεια έλκει μία χρωματίδα κάθε ζεύγους σε μία μεριά, ή πόλο. Αλλά στη μείωση, όπως ανακάλυψε η ερευνητική ομάδα του Jan πριν λίγα χρόνια (Schuh & Ellenberg, 2007), οι μικροσωληνίσκοι της ατράκτου συγκλίνουν από 80 διαφορετικά σημεία στην αρχή, και μόνο αργότερα διευθετούνται σε μια δίπολη δομή. «Έτσι όταν οι μικροσωληνίσκοι συνδέονται πρώτα στα χρωμοσώματα, είναι δύσκολο να γνωρίζουμε αν θα καταλήξουν να τα τραβήξουν σε αντίθετες κατευθύνσεις ή όχι», εξηγεί ο Jan. Αυτό, μαζί με το γεγονός ότι το ωάριο είναι μια πολύ μεγαλύτερη έκταση στην οποία οι μικροσωληνίσκοι πρέπει να βρουν και να τραβήξουν τα χρωμοσώματα – ένα ανθρώπινο ωάριο είναι περισσότερο από τέσσερις φορές μεγαλύτερο από ένα επιδερμικό κύτταρο – θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το ψάρεμα των χρωμοσωμάτων είναι πολύ πιο επιρρεπές σε λάθη κατά τη διαίρεση του ωαρίου.

Τα ευρήματα αυτά παρέχουν επίσης στους επιστήμονες ένα πιο συγκεκριμένο σημείο να κοιτάξουν, όταν μελετούν τη γυναικεία υπογονιμότητα και καταστάσεις όπως το σύνδρομο Down, οι οποίες κατά κύριο λόγο προέρχονται από ωάρια με μη φυσιολογικό αριθμό χρωμοσωμάτων. Δείχνοντας ότι τέτοια λάθη πιο πιθανόν συμβαίνουν επειδή οι μικροσωληνίσκοι αποτυγχάνουν να κάνουν τις σωστές συνδέσεις για να διαχωρίσουν σωστά τα χρωμοσώματα, οι Tomo και Jan έχουν δώσει ένα επίκεντρο για μελλοντικές μελέτες. Στην πραγματικότητα, ο Tomo τώρα πρόκειται να μελετήσει γιατί αυτή η διαδικασία δοκιμής και σφάλματος είναι  ακόμα πιο επιρρεπής σε λάθη στα πιο γηρασμένα ωάρια. Αν αυτός και άλλοι μπορέσουν να εντοπίσουν πού οι μηχανισμοί επιδιόρθωσης λαθών αποτυγχάνουν στα γηρασμένα κύτταρα, θα μπορούσε μια μέρα να αποτελέσει σημείο εκκίνησης για ιατρικές διαδικασίες που θα βοηθούσαν τους μικροσωληνίσκους να βελτιώσουν τις τεχνικές ψαρέματός τους. Ίσως το μυστικό για την αντιμετώπιση της σχετιζόμενης με την ηλικία στειρότητας, είναι να καταστήσει τους μικροσωληνίσκους τόσο επιτυχείς στο ψάρεμα όσο είναι τα παιδιά με τους μαγνήτες – παιχνίδια τους.

Κάνοντας τα μικροσκόπια εξυπνότερα

Τα χρωμοσώματα (μπλε)
παρατάσσονται
προετοιμαζόμενα για το
διαχωρισμό. Οι κινητοχώροι
(κόκκινοι) συνδέουν τα
χρωμοσώματα στους
μικροσωληνίσκους του
κυττάρου (πράσινο).

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Tomoya
Kitajima, EMBL.

Το λογισμικό που χρησιμοποίησε ο Tomo για να βρει και να κινηματογραφήσει τα χρωμοσώματα κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης ήταν ένα προοίμιο αυτών που θα ακολουθούσαν. Έκτοτε, σε συνεργασία με μια άλλη ομάδα στο EMBL με επικεφαλής τον Rainer Pepperkok, η ερευνητική ομάδα του Jan έχει αναπτύξει ένα πιο σύνθετο πρόγραμμα, ικανό για ακόμα μεγαλύτερες δυνατότητες αυτοματισμού. Το νέο λογισμικό, που λέγεται Micropilot, αναλύει χαμηλής ευκρίνειας εικόνες που λαμβάνονται από ένα μικροσκόπιο και βρίσκει όχι μόνο χρωμοσώματα αλλά οποιαδήποτε δομή που ο επιστήμονας το έχει διδάξει να αναζητεί.

Μόλις το Micropilot εντοπίσει το κύτταρο ή τη δομή που οι επιστήμονες ενδιαφέρονται, αυτόματα δίνει εντολή στο μικροσκόπιο να ξεκινήσει ένα πείραμα. Αυτή μπορεί να είναι κάτι τόσο απλό όσο η εγγραφή βίντεο υψηλής ανάλυσης χρόνου ή τόσο σύνθετο όσο η χρήση λέιζερ που παρεμβαίνουν σε σημασμένες με φθορισμό πρωτεΐνες και η καταγραφή των αποτελεσμάτων. Το λογισμικό είναι μία ευλογία για τις μελέτες της συστηματικής βιολογίας, καθώς παράγει περισσότερα δεδομένα με γρηγορότερο ρυθμό. Χάρη στην υψηλή του απόδοση, το Micropilot μπορεί εύκολα και γρήγορα να παράγει αρκετά δεδομένα για να αποκτήσει στατιστικά αξιόπιστα αποτελέσματα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να διερευνήσουν το ρόλο εκατοντάδων διαφορετικών πρωτεϊνών σε μια συγκεκριμένη βιολογική διαδικασία.


Περισσότερα για το EMBL

Το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL)w1 είναι ένα από τα κορυφαία ερευνητικά ινστιτούτα στον κόσμο, αφιερωμένο στη βασική έρευνα των βιοεπιστημών. Το EMBL είναι διεθνές, καινοτόμο και διεπιστημονικό. Οι υπάλληλοί του από 60 έθνη έχουν υπόβαθρο που περιλαμβάνει τη βιολογία, τη φυσική, χημεία και την πληροφορική, και συνεργάζονται στην έρευνα που καλύπτει όλο το φάσμα της μοριακής βιολογίας.

Το EMBL είναι μέλος του EIROforumw2, του εκδότη του Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

EMBL, EIROforum

Author(s)

Η Sonia Furtado Neves γεννήθηκε στο Λονδίνο, στο Ηνωμένο Βασίλειο, και μετακόμισε στην Πορτογαλία στην ηλικία των τριών ετών. Ενώ σπούδαζε για το πτυχίο ζωολογίας στο πανεπιστήμιο της Λισαβόνας, εργαζόταν και στο τμήμα εκπαίδευσης στο ζωολογικό κήπο της Λισαβόνας. Εκεί, ανακάλυψε ότι αυτό που πραγματικά της αρέσει είναι να μιλάει στους ανθρώπους για την επιστήμη. Συνέχισε με ένα μεταπτυχιακό στην επιστήμη της επικοινωνίας στο Imperial College του Λονδίνου και τώρα είναι η υπεύθυνη τύπου στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στην Χαϊδελβέργη, στη Γερμανία.


Review

Το άρθρο αυτό αφορά νέες επιστημονικές συνεισφορές σχετικά με την κατανόηση των μηχανισμών κυτταρικής διαίρεσης, δηλαδή τη σύνδεση των μικροσωληνίσκων στα χρωμοσώματα κατά τη διάρκεια της μίτωσης και της μείωσης

Το επίπεδο των λεπτομερειών σε αυτό το άρθρο το καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμο για την βιολογία των ανώτερων τάξεων της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης (ηλικίες 15+), σε θέματα όπως η κυτταρολογία (μίτωση και μείωση), η γενετική (οι αιτίες και οι συνέπειες των χρωμοσωμικών ανωμαλιών) και η αναπαραγωγή (γαμετογένεση και υπογονιμότητα).

Το άρθρο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την έναρξη ευρύτερων συζητήσεων τόσο για τα οφέλη της μοντελοποίησης των βιολογικών φαινομένων (τα μοντέλα μπορούν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τις διαδικασίες) όσο και για τους κινδύνους. Για παράδειγμα, στην πλειοψηφία των σχολικών εγχειριδίων που περιγράφουν την μίτωση και τη μείωση, τα χρωμοσώματα παρουσιάζονται σαν μεγάλες δομές. Αυτό μπορεί να οδηγήσει τους μαθητές να πιστέψουν ότι τα χρωμοσώματα είναι εύκολα παρατηρήσιμα σε κάθε κυτταρικό τύπο. Ωστόσο, όπως είναι ξεκάθαρο από το άρθρο, αυτό δεν συμβαίνει.Τέλος, το άρθρο επεξηγεί πώς οι προσπάθειες που γίνονται από μια ερευνητική ομάδα ενδεχομένως να ωφελήσουν άλλους ερευνητικούς τομείς, όπως επίσης υπογραμμίζει και την συνεργιστική σχέση μεταξύ της επιστήμης και της τεχνολογίας.


Betina da Silva Lopes, Πορτογαλία




License

CC-BY-NC-ND