Sposób, w jaki komórki dzielą się i tworzą nowe życie, jest tajemnicą, która od dawna fascynuje naukowców. W centrum tego procesu znajduje się struktura zwana wrzecionem, która odgrywa kluczową rolę w sortowaniu i przenoszeniu chromosomów do nowych komórek. Pomyśl o tym jak o maszynie komórkowej, która gwarantuje, że każda nowa komórka otrzyma prawidłowy zestaw instrukcji genetycznych. Maszyna ta działa poprzez nitkowate struktury zwane mikrotubulami, które występują w dwóch typach, a każdy z nich pełni unikalną rolę w przemieszczaniu i pozycjonowaniu chromosomów. U podstaw tej operacji leżą kinetochory, złożone struktury białkowe, które przyłączają chromosomy do tych mikrotubul. Szczególnie w przypadku mejozy, wyjątkowej formy podziału komórek kluczowej dla rozmnażania płciowego, zrozumienie wzajemnego oddziaływania tych składników ma kluczowe znaczenie. Mejoza obejmuje dwie rundy sortowania chromosomów po pojedynczej replikacji DNA, co prowadzi do powstania haploidalnych gamet, czyli komórek płciowych. W badaniu tym zagłębiono się w mechanikę współdziałania tych składników podczas przejścia od pierwszej do drugiej rundy mejozy – procesu o fundamentalnym znaczeniu dla biologii komórki, ale nie w pełni poznanego.
W przełomowym odkryciu pod przewodnictwem profesora Juana Jimeneza i jego zespołu Sergio Villa-Consuegry i profesora Víctora Tallady z Universidad Pablo de Olavide ujawniono kluczową rolę białka zwanego kinazą Aurora B w mejozie. Białko to odgrywa kluczową rolę w mejozie, procesie podziału komórek, który ma kluczowe znaczenie dla rozmnażania płciowego. Ich badania, opublikowane w czasopiśmie iScience, wykorzystują drożdże rozszczepialne jako organizm modelowy i dostarczają głębokiego wglądu w złożoność podziału mejotycznego.
Profesor Jimenez wyjaśnia: “Aby zapewnić dokładne rozmieszczenie materiału genetycznego podczas mejozy, ważne jest, aby pewne struktury w komórce, zwane układami wrzecionowych mikrotubul-kinetochorów, zachowywały się w określony sposób. W pierwszej rundzie mejozy (MI) muszą one wyrównać homologiczne chromosomy, ale w drugiej rundzie (MII) muszą oddzielić chromatydy siostrzane.” To rozróżnienie jest niezbędne dla dokładnego rozmieszczenia genów w powstałych gametach.
Badanie koncentruje się na kinazie Aurora B, kluczowym białku znanym wcześniej ze swojej roli w standardowym podziale komórek, czyli mitozie. „Odkryliśmy, że przeniesienie tego białka do różnych części komórki staje się niezbędne, aby zresetować te struktury z pierwszej do drugiej rundy mejozy, spełniając tak zwany punkt kontrolny zespołu wrzeciona (SAC) i tworząc odpowiednie układy dla drugiej rundy podziału” – mówi profesor Jimenez. Ta zmiana położenia ma kluczowe znaczenie, aby zapobiec błędom w rozmieszczeniu chromosomów podczas mejozy II, które mogą prowadzić do wad wrodzonych i niepłodności u ludzi.
Zespół badawczy zastosował szereg wyrafinowanych technik, aby odkryć kluczową rolę kinazy Aurora B w mejozie. Wykorzystali specyficzne inhibitory w testach hamowania kinazy Aurora B, aby zrozumieć funkcjonalną rolę tego białka w procesie mejotycznym. Ponadto mikroskopia żywych komórek umożliwiła naukowcom obserwację i rejestrację dynamicznych procesów zachodzących w żywych komórkach w czasie rzeczywistym. Było to szczególnie istotne przy badaniu zachowania i interakcji chromosomów i włókien wrzeciona podczas podziału komórki. Na koniec zespół przeprowadził szczegółową analizę obrazu i pomiar dynamiki wrzeciona i chromosomów. Wiązało się to z przechwytywaniem i analizowaniem obrazów o wysokiej rozdzielczości w celu ilościowego określenia zmian w strukturach wrzeciona i ruchów chromosomów, zapewniając kompleksowe zrozumienie procesu mejotycznego na poziomie molekularnym.
Badania dodatkowo ujawniają krytyczną funkcję białka znanego jako Imp1 w tym procesie. “W komórkach pozbawionych wystarczającej ilości tego białka zaobserwowaliśmy jednoczesne składanie się struktur z pierwszej i drugiej rundy mejozy, co doprowadziło do współistnienia komórek z obiema strukturami. Ten nietypowy scenariusz skutkuje błędami podczas drugiej rundy mejozy, podkreślając znaczenie terminowej dynamiki tych struktur komórkowych” – podkreśla profesor Jimenez.
Profesor Jimenez szczegółowo opisuje precyzję wymaganą w tych procesach komórkowych: „Opóźnienie wywołane przez SAC daje komórkom wystarczająco dużo czasu na skorygowanie wszelkich nieprawidłowych przyłączeń, zapewniając dokładną dystrybucję chromosomów podczas standardowego podziału komórki”.
Jednym z najważniejszych odkryć badania jest rola kompleksu obejmującego Aurorę B w przywracaniu prawidłowego rozkładu chromosomów. „Uwolnienie tego kompleksu z określonego obszaru komórki podczas przejścia między dwiema rundami mejozy jest kluczowym krokiem. Umożliwia komórce zresetowanie układu w kinetochorach, niezbędnych do złożenia prawidłowych struktur dystrybucji chromosomów i prawidłowego funkcjonowania SAC na początku drugiej rundy” – wyjaśnia profesor Jimenez. Odkrycie to podkreśla złożone wzajemne oddziaływanie składników komórkowych podczas mejozy.
Podsumowując, badanie to nie tylko wzbogaca naszą wiedzę na temat mejozy, ale także otwiera nowe możliwości leczenia zaburzeń genetycznych wynikających z błędów mejotycznych.
Odniesienie do czasopisma
Sergio Villa-Consuegra, Víctor A. Tallada, Juan Jimenez, „Kinaza Aurora B usuwa monopolarne układy mikrotubule-kinetochory podczas przejścia mejozy I-II”, iScience, 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.108339.
O autorze
Doktor Juan Jimenez jest profesorem zwyczajnym genetyki na Universidad Pablo de Olavide (UPO) i kierownikiem instytutu badawczego CABD w Sewilli, Hiszpania. Uzyskał stopień doktora genetyki w laboratorium dr Tahii Benítez na Uniwersytecie w Sewilli w Hiszpanii w 1987 r., po okresie badań w Gulbenkian Science Institute pod kierunkiem prof. N. van Udena. W tym okresie był adiunktem w Zakładzie Genetyki, uzyskał stypendium UNESCO i otrzymał Nagrodę Rady Miejskiej Sewilli. W 1987 rozpoczął staż podoktorski w ICRF w Londynie oraz w Zakładzie Mikrobiologii Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii w laboratorium Dr. Paul Nurse’s Lab (Nagroda Nobla 2001), ściśle współpracując z dr Davidem Gloverem (Uniwersytet w Dundee, Wielka Brytania) w celu identyfikacji genów głównych regulujących cykl komórkowy podczas rozwoju much. Otrzymał stypendium badawcze Cephalosporin Junior Research Fellowship w Linacre College. W 1989 powrócił do Hiszpanii jako profesor na Wydziale Nauk Uniwersytetu w Maladze. W 2000 roku przeszedł do UPO, gdzie pełnił funkcję wiceprezesa ds. nauki i rektora uczelni. W okresie wiceprezydenta był współzałożycielem instytutu CABD (wspólnego ośrodka badawczego CSIC-UPO) i był pierwszym dyrektorem tego centrum. W 2012 roku był gościem naukowym na Wydziale Biochemii (Laboratorium Juana Maty) na Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii. Jego badania skupiały się głównie na tym, jak różne funkcje komórkowe, takie jak translacja, cytokineza czy demontaż wrzeciona, są skoordynowane z mechanizmami regulującymi mitotyczny i mejotyczny cykl komórkowy. Badania stosowane nad tworzeniem biofilmów przez „drożdże winne flo” oraz opracowanie algorytmów wyszukiwania in silico małych ORF (AnABlast) to także tematy badawcze jego grupy (Orcid: https://orcid.org/0000 -0002-3851-7393).
