Ena najhujših stvari, ki se lahko zgodi celici, je, da na koncu dobi napačno število kromosomov. To se lahko zgodi, če gre kaj narobe med delitvijo celic in lahko privede do neplodnosti, spontanih splavov, prirojenih okvar ali raka. Ocenjuje se, da je 30 odstotkov splavov posledica nepravilnega števila kromosomov v celicah zarodka.
Celični biolog Needhi Bhalla preučuje, kako se kromosomi spremljajo v celotni kompleksni koreografiji celične delitve, da bi preprečili takšne napake. Njena raziskava se osredotoča na posebno vrsto celične delitve, imenovano mejoza, ki proizvaja jajčeca pri samicah in spermo pri moških. Ta proces se bistveno razlikuje od delitve celic, s katero se navadne celice razmnožujejo (imenovane mitoza).
"Pomembno je vedeti, kako ti osnovni biološki mehanizmi delujejo, da lahko razumemo, kaj se zgodi, ko gredo narobe," je dejal Bhalla, izredni profesor molekularne, celične in razvojne biologije na UC Santa Cruz. "Vemo, da napačno število kromosomov povzroča genetske motnje in prirojene okvare. Razumevanje, kako se to zgodi, nam lahko pomaga preprečiti ali prepoznati diagnostične označevalce, da bodo ljudje v boljšem položaju pri sprejemanju odločitev o reproduktivnem zdravju."
Če upoštevate vse, kar morajo kromosomi narediti med mejozo, je čudno, da proces kdaj proizvede sposobno jajčece ali spermo. Ključni korak, imenovan rekombinacija, vključuje izmenjavo kromosomov celih delov DNK. To je kot premeščanje kroga kart in to je razlog, zakaj so bratje in sestre lahko tako različni, čeprav imajo iste starše.
"Rekombinacija vključuje namerno rezanje DNK, zato je obremenjena in zelo zanimivo je, kako so se celice razvile, da bi se s tem spopadle. Imate mehanizem, ki je nagnjen k napakam, nad njim pa je zapletena struktura za omejitev napake," je rekel Bhalla.
Zakaj je mejoza sploh tako zapleten proces, nagnjen k napakam? Kot pri večini stvari v biologiji je odgovor v evoluciji in naravni selekciji. Spolno razmnoževanje z premeščanjem krogov z rekombinacijo med mejozo ustvarja gensko raznolikost potomcev, ki je surovina za naravno selekcijo.
"Mejoza ustvarja nove genetske kombinacije in naravna selekcija deluje na to. Vse, kar vidimo v evoluciji, je produkt tega, kar se dogaja v mejozi," je dejal Bhalla.
Sistem za spremljanje kromosomov, ki ga preučuje, vključuje vrsto kontrolnih točk, ki zagotavljajo, da je vsak korak v mejozi pravilno zaključen, preden se celica premakne na naslednji korak. Kontrolne točke so molekularni mehanizmi, ki lahko ustavijo celični cikel, dokler ni vse v redu za naslednji korak, in lahko celo povzročijo samouničenje celice, če je prišlo do napak.
Pri mejozi je treba spremljati veliko korakov. Večina celic v telesu ima dva niza kromosomov, en niz od očeta in enega od matere. Jajčece in semenčice imajo samo en niz kromosomov, tako da bo oploditev, ko se jajčece in semenčica združita, ustvarila zarodek z dvema nizoma kromosomov. Ključna funkcija mejoze je torej doseči to redukcijo na en niz kromosomov. Začne se z združevanjem homolognih kromosomov: kromosom 19 od mame se združi s kromosomom 19 od očeta in tako naprej.
Ko se homologni kromosomi združijo, sestavijo strukturo, imenovano sinaptonemski kompleks, ki jih drži skupaj. Na tej točki rekombinacija premeša genetske sklope, ko si dva homologna kromosoma izmenjujeta dele DNK. Nato se sinaptonemski kompleks razgradi in homologni kromosomi se ločijo v dve hčerinski celici. In to je samo prvi del.
"Obstaja kontrolna točka, ki zagotavlja, da so kromosomi pravilno sinapizirani, kontrolna točka, ki spremlja rekombinacijo, druga, ki zagotavlja, da so kromosomi pritrjeni na aparat, ki jih bo ločil, in tako naprej," je dejal Bhalla.
Drugi del mejoze vključuje ločitev podvojenih kromosomov. Preden se mejoza ali mitoza začne, vsi kromosomi naredijo kopije samih sebe, kopije (imenovane sestrske kromatide) pa se držijo skupaj. Med mitozo in drugo stopnjo mejoze se sestrske kromatide ločijo v ločene hčerinske celice.
V novi študiji, objavljeni 4. oktobra v Current Biology, je Bhallin laboratorij preučeval molekulo kontrolne točke, imenovano shugoshin, kar v japonščini pomeni "duh varuh". Shugoshin je bil prvotno opredeljen kot pomemben v mejozi za uravnavanje tega, kako se sestrske kromatide držijo skupaj v strukturi, imenovani centromera. Bhallin laboratorij je ugotovil, da ima dejansko veliko širšo vlogo pri mejozi, vzpostavi pravilno strukturo kromosomov in zagotavlja pravilno napredovanje rekombinacije.
"Ti proteini so večopravilni in celice jih uporabljajo za več funkcij, da naredijo kromosome neverjetno različne stvari v različnih kontekstih," je dejal Bhalla.
Kromosomi imajo v svoji DNK genetski načrt organizma, vendar je DNK le del zelo kompleksne kromosomske strukture, ki vključuje veliko različnih beljakovin z različnimi funkcijami, od pakiranja DNK do spremljanja obnašanja samega kromosoma.
"Kromosomi sodelujejo pri spremljanju lastnega vedenja. V tem je lepota, saj so aktivni udeleženci, kjer bi pričakovali, da bodo pasivni," je dejal Bhalla. "Ko vidite delitev celic, pri čemer se kromosomi vrstijo in segregirajo, se zdi, da so pasivni, vendar vemo, da so aktivni udeleženci in njihova struktura prispeva k temu."
