Huolimatonta kalastusta: kun meioosi menee pieleen Understand article

Kääntänyt Susanna Teppo. Miksi meioosi niin usein epäonnistuu? Ja mitä seurauksia siitä on?

Liikkeen kartoitus: värilliset
viivat kuvaavat kinetokorien
(vihreät pisteet) liikettä
(violetista keltaiseen) kun
mikrotubulukset kiinnittyvät
niihin kromosomeja
(sinivihreä) erotellakseen.

Kuva Tomoya Kitajima, EMBL

Huvipuistossa, jossain törmäilyautojen ja hattarakojujen katveessa, lapsi keskittyy kieli keskellä suuta. Hän yrittää parhaansa napatakseen puisen kalan muovilammikosta magneettipäisellä onkivavallaan. Nyt pysäytä kohtaus ja kelaa taaksepäin lapsen kehitystä, ohi siittiön hedelmöittämän munasolun aina siihen saakka, kun itse munasolu alkujaan muodostui, niin edessä on samanlainen onkimispeli täydessä toiminnassa. Erona näillä kahdella tapahtumalla on, kuten Euroopan molekyylibiologian laboratorion (European Molecular Biology Laboratory, EMBL; katso laatikko) tutkijat ovat todenneet, että lapset magneettivapoineen ovat todennäköisesti parempia kalastajia kuin munasolun koneisto (Kitajima et al. 2011).

Kun munasolu (oosyytti) kypsyy naisen munasarjassa, se käy läpi meioosin; solujakautumisen, jossa kromosomiparit järjestyvät riviin, ongitaan, ja puolet poistetaan. Kromosomit, jotka ovat yleensä hajaantuneena ympäriinsä (Mori et al., 2011), tuodaan yhteen riviin ja kalastetaan siitä eräänlaisten proteiineista muodostuneiden sauvojen, mikrotubulusten, avulla. Kuten lapsen onkivavan magneetti pyydystää kalan, mikrotubulus nappaa kromosomin sen sisältämän kinetokorin – kromosomin X-rakenteen yhtymäkohdassa sijaitsevan proteiineista ja geneettisestä materiaalista muodostuvan rykelmän – kohdasta

Ihmisen meioosin päätapahtumat munasolun kypsymisen aikana. Suurenna kuva klikkaamalla.
A: Viiden ensimmäisen kuukauden aikana naispuolisen sikiön kehityksessä muodostuvat kaikki mahdolliset tulevaisuuden munasolut. Kaikissa näissä soluissa, DNA:n kahdentumisen jälkeen, homologiset kromosomit vaihtavat geneettistä materiaalia tekijäinvaihdunnassa (crossing over). Meioosi seisahtuu tähän, kunnes ovulaatio tapahtuu, ja useimmat potentiaalisista munasoluista kuolevat tämän ajan saatossa.
B: Murrosiän ja menopaussin välissä kunkin kuukausittaisen kierron aikana muutama potentiaalinen munasolu kehittyy meioosin vaiheita eteenpäin, mutta vain yksi kerrallaan etenee prosessin loppuun asti. Homologiset kromosomit asettuvat riviin primaarisen munasolun jakotasoon, josta mikrotubulukset vetävät ne erilleen. Primaarinen munasolu jakautuu sekundaariseksi munasoluksi ja napakappaleeksi (polar body). Nyt parittaiset kromatidit asettuvat jakotasoon sekä napakappaleessa että munasolussa, ja ovulaation aikaan mikrotubulukset kiinnittyvät niihin. Meioosi pysähtyy tähän, kunnes hedelmöitys tapahtuu.
C: Jos hedelmöitys tapahtuu, parittaiset kromatidit vedetään erilleen solun vastakkaisia napoja kohti. Napakappale jakautuu kahtia, ja sekundaarinen munasolu jakautuu kolmanneksi napakappaleeksi sekä kypsäksi munasoluksi, johon meioosi päättyy. Kaikilla neljällä syntyneellä tytärsolulla on geneettisesti erilainen kokoonpano.
Napakappaleiden geneettinen materiaali hävitetään, kun taas kypsän munasolun materiaali liitetään hedelmöittävän siittiösolun materiaaliin ja uuden alkion elämän kehittyminen alkaa. Suurenna kuva klikkaamalla.

Kuva Nicola Graf

Tutkimalla hiiren munasoluja mikroskoopin alla EMBL:n tutkija Tomoya (Tomo) Kitajima jäljitti ensimmäisenä maailmassa kaikkien munasolun kinetokorien liikkeet koko solun jakautumisen ajan – siis 10 tuntia. “Onnistuimme, ensimmäistä kertaa, pysymään kaikkien kinetokorien jäljillä solun jakautumisen läpi – ei siis ole yhtään aikapistettä, jolloin kromosomin tämän osan sijainnista olisi epäselvyyttä – ja tämä on todella läpimurto alalla, kun tämä saatiin aikaiseksi näissä suurissa valoherkissä soluissa”, kertoo Jan Ellenberg, tutkimusryhmän johtaja.

Kaavakuva kromosomista.
Sentromeeri (punainen piste)
on kohta, johon kinetokori
rakentuu.

Kuva Tryphon; kuvan lähde:
Wikimedia Commons

Tomo käytti Janin laboratoriossa aiemmin kehitettyä ohjelmaa, jonka avulla hän pystyi ohjelmoimaan lasermikroskoopin (laser scanning microscope) löytämään kromosomit munasolun suuresta sisätilasta, ja sitten kuvaamaan niitä solun jakautumisen ajan. “Oosyytti on iso solu, mutta kromosomit sijaitsevat vain pienessä osiossa sen sisällä, ja siitä olimme kiinnostuneet. Teimme oikeastaan vaan mikroskoopeistamme tarpeeksi fiksuja, jotta ne tunnistaisivat kromosomit ja zoomaisivat tarkasti tiettyyn kohtaan tietyllä ajanhetkellä”, Jan selittää.

Kohdentamalla mikroskoopin vain siihen solun osaan, jossa kromosomit sijaitsevat, Tomo sai aikaan kuvasarjaa korkealla resoluutiolla sisältäen vain lyhyitä, puolentoista minuutin, taukoja, mikä antoi hänelle erittäin selkeän kuvan tapahtumasta. Lisäksi, koska mikroskooppi valotti vain pienen osan solua, se sai siellä vähemmän tuhoa aikaiseksi, minkä ansiosta tutkijat pystyivät kuvaamaan tapahtumaa koko 10 tunnin solun jakautumisen ajan (laatikossa lisää älymikroskoopista).

Kalastus magneeteilla
Kuva QUOI Media; kuvan
lähde: Flickr

Onkimispaikalla muovilammikon äärellä tunteet voivat kuohahtaa ja äänet nousta kiivaaseen syytökseen: “Huijausta! Ei kalaa saa pökkiä sauvalla!” Kiitos Janin ja Tomon työn, syytetty lapsi voisi puolustautua sillä, että hänen solunsa “huijasivat” tällä tavoin jo ennen kuin hän oli edes syntynyt. Videota analysoidessaan EMBL:n tutkijat huomasivat, että ennen kuin mikrotubulukset tarttuvat kinetokoreihin, ne tönäisevät kromosomit otolliseen asentoon, kuten lapsi tökkiessään kaloja sauvallaan. Mikrotubulukset tökkäävät kromosomeja järjestellen ne ympyrän muotoon, mistä ne on helpompi napata.

“Mutta tästä järjestelystä huolimatta se ei vieläkään suju kauhean hyvin”, sanoo Jan. “Näkemämme perusteella 90 % kinetokorien yhteyksistä oli lähtökohtaisesti väärin laadittu, ja mikrotubulukset joutuivat vapauttamaan kromosomin ja yrittämään uudelleen – keskimäärin tämä piti tehdä kolme kertaa kromosomia kohden.”

Huijaavat mikrotubulukset:
ennen tarttumista
kinetokoreihin (vihreä),
mikrotubulukset tönivät
kromosomit (punainen)
tumasukkulan keskikohdan
ympärille.

Kuva Tomoya Kitajima, EMBL

Tutkijat USA:ssa ovat osoittaneet, että samaa “huijaamista” tapahtuu myös toisenlaisessa solujakautumisessa, jota tapahtuu, kun kasvamme tai kun kudokset kuten iho uusiutuu (Magidson et al., 2011). Tässä solujakautumisessa, mitoosissa, solu jakautuu kahdeksi tytärsoluksi, joilla kummallakin on sama määrä geneettistä materiaalia kuin emäsolulla, sen sijaan että määrä puolittuisi kuten meioosissa. Janin ja Tomon tulokset kuitenkin tuovat esiin, että kromosomien pyydystämisessä tapahtuu paljon enemmän virheitä munasolun meioosissa kuin mitoosissa. Tutkijat uskovat, että meioosin korkeampi virhealttius voisi johtua perustavanlaatuisesta erosta mikrotubulusten kalastustavoissa näiden kahden erilaisen solun jakautumisen välillä.

Mitoosi: DNA:n replikaation
jälkeen kromosomit
järjestäytyvät riviin solun
keskelle. Mikrotubulukset
tarttuvat sisarkromatidien
kinetokoreihin ja kalastavat
nämä erilleen. Mitoosin
jälkeen solu jakautuu. Kaksi
syntyvää tytärsolua ovat
geneettisesti identtisiä
emosolun kanssa. Suurenna
kuva klikkaamalla.

Kuva Mysid; kuvan lähde:
Wikimedia Commons

Mitoosin aikana mikrotubulussauvat alkavat muodostumaan kahdessa vastakkaisessa solun kohdassa yhdistyen sitruunan muotoiseksi rakennelmaksi – tumasukkulaksi – joka sitten vetää parittaisen kromatidin kappaleet erilleen eri puolille eli navoille. Mutta meioosissa, kuten Janin ryhmä huomasi muutama vuosi sitten (Schuh & Ellenberg, 2007), tumasukkulan mikrotubulukset yhdistyvät aluksi jopa 80 eri pisteestä ja vasta myöhemmin järjestäytyvät kaksinapaiseksi rakenteeksi. “Joten kun mikrotubulukset ensin kiinnittyvät kromosomeihin, on hankala tietää kumpaan suuntaan ne aikovat niitä vetää”, Jan selittää. Tämä yhdistettynä siihen, että munasolussa on paljon enemmän tilaa, jonka läpi mikrotubulusten täytyy kromosomit löytää ja raahata – ihmisen munasolu kun on yli neljä kertaa isompi kuin ihosolu – voisi selittää, miksi kromosomien kalastus munasoluissa on niin paljon alttiimpi virheille.

Nämä löydöt myös antavat tutkijoille konkreettisemman etsinnän kohteen tutkittaessa naisen hedelmättömyyttä tai sairauksia kuten Downin syndroomaa, joka saa alkunsa munasolusta, jossa on epänormaali määrä kromosomeja. Osoittamalla, että tällaiset virheet aiheutuvat todennäköisimmin mikrotubulusten virheistä kromosomien erottelussa, Tomo ja Jan tarjosivat fokuksen tuleville tutkimuksille. Itse asiassa Tomo tutkii parhaillaan, miksi tämä erehdyksille altis prosessi on vielä virhealttiimpi vanhoissa munasoluissa. Jos hän ja muut voivat osoittaa kohdan, jossa vanhojen solujen virheiden korjausmekanismi pettää, voisi se jonain päivänä olla lähtökohtana lääketieteelliselle mikrotubulusten kalastustekniikkaan vaikuttavalle sovellukselle. Ehkäpä salaisuus vanhenemiseen liittyvän hedelmättömyyden päihittämiseen on tehdä mikrotubuluksista yhtä menestyksekkäitä kalastajia kuin lapset ovat magneettivapoineen.

Älykkäämpiä mikroskooppeja

Kromosomit (sininen)
järjestäytyneenä riviksi
erottelua varten. Kinetokorit
(punainen) liittävät
kromosomit solun
mikrotubuluksiin (vihreä).

Kuva Tomoya Kitajima, EMBL

Ohjelmisto, jota Tomo käytti kromosomien löytämiseen ja kuvaamiseen koko solun jakautumisen ajan oli vasta alkusoittoa tulevalle. Sen jälkeen, yhteistyössä Rainer Pepperkokin johtaman EMBL:n ryhmän kanssa, Janin ryhmä on kehittänyt monimutkaisemman ohjelman, joka pystyy vielä suurempiin automaationäyttöihin. Uusi ohjelmisto, Micropilot, analysoi mikroskoopilla otettuja alhaisen resoluution kuvia ja löytää kromosomien lisäksi mitä tahansa rakenteita tutkija on sen opettanut etsivän.

Kun Micropilot on tunnistanut tutkijan kiinnostuksen kohteena olevan solun tai rakenteen, se ohjeistaa mikroskoopin automaattisesti aloittamaan kokeen. Tämä voi olla jotain niin yksinkertaista kuin nauhoittaa tarkkaa jaksoittaista videokuvaa, tai monimutkaisempaa kuten käyttää laseria häiritsemään fluoresenssimerkittyjä proteiineja ja rekisteröimään tulokset. Ohjelmisto on helpotus systeemibiologiselle tutkimukselle, sillä sen avulla voidaan luoda enemmän tietoa nopeammalla tahdilla. Kiitos Micropilotin tehokkaan käsittelykyvyn se pystyy helposti ja nopeasti tuottamaan riittävästi tietoa tilastollisesti luotettavia tuloksia varten, antaen tutkijoille mahdollisuuden tutkia satojen eri proteiinien tehtävää tietyssä biologisessa tapahtumaketjussa.


Lisää EMBL:sta

Euroopan molekyylibiologian laboratorio(European Molecular Biology Laboratory, EMBL)w1 on yksi maailman huipuista tutkimuslaitoksista ja se on omistettu luonnontieteiden perustutkimukselle. EMBL on kansainvälinen, innovatiivinen ja monitieteinen. Sen työntekijöillä 60 eri maasta on tausta mm. biologiassa, fysiikassa, kemiassa ja tietokonetieteissä, ja he tekevät yhteistyötä tutkimuksessa, joka kattaa koko molekyylibiologian spektrin.

EMBL on EIROforuminw2Science in School -lehden julkaisijan,jäsen.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

EMBL, EIROforum

Author(s)

Sonia Furtado Neves syntyi Lontoossa, Englannissa, josta hän muutti kolmen vuoden ikäisenä Portugaliin. Opiskellessaan eläintiedettä Lissabonin yliopistossa hän työskenteli samalla Lissabonin eläintarhan koulutusyksikössä; siellä hän huomasi, että mistä hän todella pitää on tieteestä kertominen. Hän jatkoi opintojaan tiedeviestinnän maisterin tutkintoon Lontoon yliopistossa Imperial College London, ja toimii nyt tiedottajana Heidelbergin Euroopan molekyylibiologian laboratoriossa (European Molecular Biology Laboratory) Saksassa.


Review

Tämä artikkeli kertoo uusista tieteellisistä tuloksista koskien solun jakautumisen mekanismin ymmärtämistä, tarkemmin mikrotubulusten kiinnittymistä kromosomeihin mitoosin ja meioosin aikana.

Artikkelin yksityiskohtaisuus sopii hyvin lukion (ikäluokat 15+) biologian tunneille aiheena solut (mitoosi ja meioosi), genetiikka (kromosomipoikkeavuuksien syyt ja seuraamukset) tai lisääntyminen (sukusolujen synty ja hedelmättömyys).

Tätä artikkelia voidaan myös käyttää alustamaan laajempaa keskustelua biologisten tapahtumien mallintamisen hyödyistä (mallit auttavat ymmärtämään prosessia) mutta myös riskeistä. Esimerkiksi suuressa osassa mitoosia ja meioosia kuvaavia kirjoja kromosomit esitetään isoina rakenteita. Tämä voi johtaa opiskelijoita käsitykseen, että kromosomit olisivat helposti nähtävissä kaikissa soluissa. Tämä ei kuitenkaan ole totta, niin kuin artikkelista selviää.

Artikkeli myös havainnollistaa, miten yhden ryhmän uurastus voi hyödyttää myös muita tutkimusaloja, kuin myös korostaa tieteen ja teknologian toinen toistaan tukevaa suhdetta.


Betina da Silva Lopes, Portugali




License

CC-BY-NC-ND