Zarzucanie wędki: pomyłki mejozy Understand article

Tłumaczenie Anna Barbarska. Dlaczego w procesie mejozy tak często dochodzi do pomyłek? I jakie są ich konsekwencje?

Mapowanie ruchu: kolor linii
(od fioletowego do żółtego)
pokazuje ruch kinetochorów
(zielone punkty) w miarę jak
mikrotubule przyczepiają się
do nich i rozdzielają
chromosomy
(niebieskozielony).

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Tomoya Kitajima, EMBL

Wesołe miasteczko. Wirujące samochodziki, wata cukrowa i … twarz dziecka zastygła w skupieniu. Usiłuje za pomocą wędki z magnesem wyłowić drewnianą rybkę z plastikowego basenu. Pauza, przewijamy do tyłu, cofamy się przez wszystkie etapy rozwoju dziecka, dalej nawet niż do momentu zapłodnienia komórki jajowej, aż do czasu, kiedy powstawała – i oto naszym oczom ukazuje się dokładnie taka sama zabawa w wędkowanie. Zgodnie z odkryciem naukowców z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL, zob. ramka) różnica polega na tym, że dziecięca zabawka jest prawdopodobnie dużo skuteczniejsza niż mechanizm działający w komórce jajowej (Kitajima i in., 2011).

Dojrzewająca w jajniku kobiety komórka jajowa – oocyt – przechodzi proces podziału komórkowego, zwany mejozą, podczas którego znajdujące się w jej wnętrzu pary chromosomów ustawiają się w jednej płaszczyźnie, a następnie zostają wyłowione i rozdzielone, po czym połowa z nich zostaje usunięta. Łączące się w pary chromosomy pochodzą z całej komórki (Mori i in., 2011), a za ich wyłowienie i rozdzielenie odpowiedzialne są białkowe wędki zwane mokrotubulami. Podobnie jak dziecięca zabawka przyciągająca rybkę magnesem, mikrotubula łapie chromosom za pomocą kinetochoru – struktury złożonej z białek i materiału genetycznego, znajdującej się w środkowej części chromosomu, czyli w przewężeniu pomiędzy jego dwoma ramionami..

Główne etapy mejozy zachodzącej podczas procesu dojrzewania ludzkiej komórki jajowej. Kliknij w obrazek, aby powiększyć.
A: Podczas pierwszych pięciu miesięcy rozwoju żeńskiego embrionu powstają wszystkie przyszłe komórki jajowe. W każdej z nich dochodzi do podwojenia ilości DNA, a następnie wymiany materiału genetycznego pomiędzy homologicznymi chromosomami podczas procesu crossing-over. Następnie proces mejozy zostaje wstrzymany aż do czasu owulacji i znowu większość potencjalnych komórek jajowych ginie.
B: Od okresu dojrzewania aż po menopauzę, w każdym miesięcznym cyklu, kilka potencjalnych komórek jajowych podlega kolejnym fazom mejozy, ale za każdym razem tylko jedna przechodzi cały proces. Chromosomy homologiczne ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki, a następnie są wyławiane i odciągane w przeciwnych kierunkach przez mikrotubule. Dochodzi do podziału pierwotnej komórki rozrodczej na oocyt II rzędu oraz pierwsze ciałko kierunkowe. Następnie siostrzane chromatydy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej zarówno ciałka kierunkowego, jak i komórki jajowej, a w czasie owulacji przyczepiają się do nich mikrotubule. Proces mejozy zostaje wstrzymany aż do momentu zapłodnienia.
C: Jeżeli dochodzi do zapłodnienia, chromatydy siostrzane zostają odciągnięte w kierunku przeciwnych biegunów komórki. Pierwsze ciałko kierunkowe dzieli się na dwa ciałka, natomiast oocyt II rzędu ulega podziałowi, w wyniku którego powstaje trzecie ciałko kierunkowe i dojrzała komórka jajowa. Proces mejozy zostaje zakończony. Każda z powstałych komórek potomnych ma inny skład genetyczny.
Materiał genetyczny ciałek kierunkowych zostaje usunięty, natomiast materiał zawarty w dojrzałej komórce jajowej łączy się z materiałem genetycznym plemnika, dając początek nowemu embrionowi. Kliknij w obrazek, aby powiększyć.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicola Graf

Obserwując pod mikroskopem komórki jajowe myszy, naukowiec z EMBL Tomoya (Tomo) Kitajima jako pierwszy prześledził ruchy kinetochorów komórki jajowej w czasie całego podziału komórki – pełne 10 godzin. „Po raz pierwszy byliśmy w stanie obserwować wszystkie kinetochory przez cały czas trwania podziału komórki, nie było więc w żadnym momencie wątpliwości co do tego, gdzie znajduje się dana część chromosomu. Dokonanie tego w przypadku tych dużych i wrażliwych na światło komórek stanowi prawdziwy przełom w tej dziedzinie nauki” – twierdzi Jan Ellenberg, kierujący zespołem badawczym.

Schematyczny rysunek
przedstawiający chromosom.
Centromer (oznaczony
czerwonym punktem) jest
miejscem lokalizacji
kinetochoru.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Tryphon; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Tomo wykorzystał opracowane wcześniej w laboratorium Jana oprogramowanie, które pozwoliło mu zaprogramować mikroskop skanujący tak, że mógł zlokalizować chromosomy w obszernym wnętrzu komórki jajowej, a następnie filmować je podczas podziału komórkowego. „Oocyt to duża komórka, ale chromosomy są zlokalizowane w zaledwie niewielkiej jej części i nią właśnie byliśmy zainteresowani. W zasadzie jedyne co zrobiliśmy, to popracowaliśmy nad tym, aby nasze mikroskopy były w stanie lokalizować chromosomy, a następnie przybliżać, zarówno w czasie, jak i przestrzeni, wyłącznie ten region, w którym się znajdują.

Ogniskując soczewkę mikroskopu wyłącznie na tej części komórki, w której znajdują się chromosomy, Tomo mógł uzyskać obrazy o wysokiej rozdzielczości w krótkich interwałach czasu, wynoszących jedynie półtorej minuty, co dało mu bardzo wyraźny obraz całego procesu. A ponieważ światło mikroskopu docierało tylko do tego niewielkiego obszaru oocytu, wyrządziło mniej szkody komórce, co z kolei umożliwiło naukowcom wykonywanie obrazowania przez całe 10 godzin podziału komórki (zob. ramka na temat inteligentnych mikroskopów).

Łowienie rybek na magnes 
Zdjęcie dzięki uprzejmości
QUOI Media; źródło zdjęcia:
Flickr

Tymczasem nad stawem z drewnianymi rybkami atmosfera robi się gorąca, słychać podniesione głosy: „Oszukujesz! Nie wolno popychać ryby wędką!” Powołując się na odkrycie Jana i Tomo, oskarżone o oszustwo dziecko mogłoby powiedzieć na swoją obronę, że przecież nawet jego własne komórki oszukiwały w ten sposób zanim jeszcze się urodziło. Analizując swoje nagrania naukowcy z EMBL odkryli, że zanim mikrotubule przyczepią się do kinetochorów, popychają chromosomy tak, aby znalazły się w dogodnej pozycji, podobnie jak dziecko poprawiające końcem wędki pozycję rybki. Mikrotubule popychają ramiona chromosomów i ustawiają je w okręgu, z którego mogą je później łatwiej „wyłowić”.

„Ale nawet po tym wstępnym ustawieniu chromosomów cały proces nie działa bez zarzutu – mówi Jan. „Zaobserwowaliśmy, że 90% pierwszych połączeń z kinetochorami jest błędne, mikrotubule muszą wypuszczać chromosomy i próbować od nowa – średnio trzy razy dla jednego chromosomu.”

Oszukujące mikrotubule:
zanim zaczną się przyczepiać
do kinetochorów (na zielono),
mikrotubule popychają
chromosomy (na czerwono),
tak aby ustawiły się po
okręgu wokół centralnej
części wrzeciona
kariokinetycznego.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Tomoya Kitajima, EMBL

Amerykańscy naukowcy wykazali ostatnio, że podobnego rodzaju „oszustwo” ma również miejsce w przypadku innego typu podziału, któremu podlegają nasze komórki, kiedy rośniemy lub kiedy regenerują się np. tkanki skóry (Magidson i in., 2011). Ten drugi typ podziału komórki, zwany mitozą, polega na podziale komórki na dwie komórki potomne, z których każda wyposażona jest w taką samą ilość materiału genetycznego, co komórka macierzysta, a nie tylko jego połowę, jak ma to miejsce w przypadku mejozy. Odkrycia Jana i Tomo zwracają jednak uwagę na to, że „wyławianie” chromosomów znacznie częściej skutkuje pomyłkami w procesie mejozy niż w procesie mitozy.

Mitoza: Po replikacji DNA w
komórce, chromosomy
ustawiają się w jej
płaszczyźnie komórkowej.
Miktorubule przyczepiają się
do kinetochorów chromatyd
siostrzanych i „wyławiają” je.
Po zakończeniu mitozy
dochodzi do podziału
komórki. Dwie powstałe
komórki potomne są
genetycznie identyczne.
Kliknij w obrazek, aby
powiększyć.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Mysid; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Podczas mitozy mikrotubule zaczynają się formować na dwóch przeciwległych biegunach komórki i schodzą się w przypominające strukturą cytrynę wrzeciono, które następnie odciąga poszczególne chromatydy z pary w kierunku przeciwległych biegunów komórki.  Natomiast podczas mejozy, jak kilka lat temu odkryła grupa Jana (Schuh i Ellenberg, 2007), mikrotubule składające się na wrzeciono zbiegają się z aż 80 różnych punktów, a dopiero potem formują tę dwubiegunowę strukturę. „Tak więc, gdy mikrotubule po raz pierwszy łączą się z chromosomami, trudno jest powiedzieć czy ostatecznie pociągną je w przeciwnych kierunkach, czy nie”  – tłumaczy Jan. To w połączeniu z dużą przestrzenią komórki jajowej, w której mikrotubule muszą odnaleźć i „złowić” chromosomy – ludzka komórka jajowa jest ponad cztery razy większa niż komórka skóry – wyjaśnia dlaczego łowienie chromosomów podczas podziału komórki jajowej jest znacznie bardziej podatne na pomyłki.

Odkrycia te wskazują również naukowcom precyzyjniej miejsce, któremu należy poświęcić uwagę w badaniach nad niepłodnością kobiet oraz chorobami genetycznymi, takimi jak zespół Downa, z których większość jest skutkiem nieprawidłowej liczby chromosomów w komórce jajowej. Wykazując, że błędy tego rodzaju pojawiają się najprawdopodobniej w wyniku nieprawidłowego przyłączenia i nieprawidłowego rozdzielenia chromosomów przez mikrotubule, Tomo i Jan wskazali obszar dalszych badań. Tomo planuje teraz zbadać dlaczego opisana metoda prób i błędów jest nawet bardziej podatna na błędy w starszych komórkach jajowych. Jeżeli on i inni naukowcy będę w stanie dokładnie określić, gdzie w starszych komórkach zawodzą mechanizmy poprawiania błędów, efekt ich badań może się kiedyś stać punktem wyjścia dla zabiegów medycznych, które pomogą mikrotubulom usprawnić „technikę wędkarską”. Możliwe, że sekret walki z niepłodnością związaną z wiekiem polega właśnie na sprawieniu, aby mikrotubule łowiły chromosomy tak samo sprawnie, jak dzieci łowią drewniane rybki na wędki z magnesem.

Inteligentne mikroskopy

Chromosomy (na niebiesko)
ustawione i gotowe do
rozdzielenia. Kinetochory (na
czerwono) łączą chromosomy
z mikrotubulami komórki (na
zielono).

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Tomoya Kitajima, EMBL

Oprogramowanie, którym posługiwał się Tomo, aby znaleźć i sfilmować chromosomy w czasie podziału komórkowego było jedynie zapowiedzią tego, co miało nadejść. Od tego czasu, we współpracy z innym zespołem w EMBL, kierowanym przez Rainera Pepperkoka, grupa Jana opracowała bardziej zaawansowane oprogramowanie, zdolne do jeszcze bardziej spektakularnych wyczynów. Nowy program, noszący nazwę  Micropilot, analizuje zdjęcia wykonane mikroskopem w niskiej rozdzielczości i lokalizuje nie tylko chromosomy, ale również każdą strukturę, którą naukowcy nauczą go rozpoznawać.

Po znalezieniu komórki lub struktury, którą są zainteresowani naukowcy, Micropilot automatycznie wydaje mikroskopowi polecenie rozpoczęcia doświadczenia. Może to być coś tak prostego, jak nagrywanie filmów w wysokiej rozdzielczości w ekspozycji poklatkowej lub coś tak skomplikowanego, jak wykorzystanie laserów do intereferncji z oznakowanymi fluorescencyjnie białkami oraz rejestrowanie wyników. To oprogramowanie to skarb dla badań z dziedziny biologii systemowej – zapewnia dostęp do większej ilości danych w szybszym czasie. Dzięki wysokiej przepustowości, Micropilot może z łatwością i w krótkim czasie zapewnić tyle danych, aby wyniki były statystycznie wiarygodne, umożliwiając naukowcom zbadanie roli setek różnych białek w poszczególnych procesach biologicznych.

Więcej na temat EMBL

Europejskie Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL)w1 to jedna z wiodących instytucji badawczych na świecie, zajmująca się podstawowymi badaniami z dziedziny nauk o życiu. EMBL jest instytucją międzynarodową, innowacyjną i interdyscyplinarną. Pracownicy EMBL, reprezentujący 60 narodowości i dziedziny takie jak biologia, fizyka, chemia oraz informatyka, współpracują w ramach badań obejmujących cały zakres biologii molekularnej.

EMBL jest członkiem EIROforumw2, wydawcy Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

EMBL, EIROforum

Author(s)

Sonia Furtado Neves urodziła się w Londynie, w Wielkiej Brytanii, i przeprowadziła do Portugalii w wieku trzech lat. Studiując zoologię na Uniwersytecie Lizbońskim pracowała jednocześnie w dziale edukacji lokalnego zoo – tam właśnie odkryła, że jej największą pasją jest opowiadanie o nauce. Zdobyła tytuł magistra na kierunku informacji o nauce w Imperial College w Londynie i pełni obecnie funkcję rzecznika prasowego w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu, w Niemczech.


Review

Artykuł opisuje odkrycia naukowe, które  wyjaśniają mechanizmy podziału komórkowego, a w szczególności mechanizm przyłączania mikrotubul do chromosomów podczas procesów mitozy i mejozy.

Ze względu na zakres informacji zawartych w artykule będzie on szczególnie przydatny podczas lekcji biologii w szkołach ponadpodstawowych (dla uczniów powyżej 15 roku życia) podczas omawiania tematów z dziedziny cytologii (mitoza i mejoza), genetyki (przyczyny i skutki aberracji chromosomowych) oraz rozmnażania (gametogeneza i niepłodność).

Artykuł może być również wykorzystywany jako wstęp do szerszych dyskusji na temat zalet (lepsze zrozumienie procesów) i wad modelowania zjawisk biologicznych. Na przykład: w większości podręczników opisujących mitozę i mejozę, chromosomy przedstawiane są jako struktury o dużych rozmiarach, przez co uczniowie mogą mylnie sądzić, że obserwacja chromosomów jest łatwa w przypadku każdego rodzaju komórek. Artykuł pomoże im uświadomić sobie błędność tego przekonania.

Ponadto artykuł doskonale ilustruje to, w jaki sposób starania jednej grupy naukowej mogą przyczynić się do postępu w innych obszarach badań oraz podkreśla synergię nauki i technologii.


Betina da Silva Lopes, Portugalia




License

CC-BY-NC-ND