Ученые из университета Массачусетса в Амхерсте (США), под руководством ассистента-профессора Томаса Марески (Thomas Maresca) измерили величину силы, двигающей хромосомы во время деления клеток. Статью об этом, опубликованную в журнале Nature Communications, пересказывает пресс-релиз университета.

Когда клетка делится, хромосомы выходят из ядра и выстраиваются в линию с помощью т. н. «веретена деления», состоящего из микротрубочек. Затем хромосомы удваиваются и впоследствии те же микротрубочки «растаскивают» их по разделившимся клеткам. Хромосомы крепятся к трубочкам с помощью специальных белков-кинетохоров. Понять механику этого процесса очень важно, ведь малейшая ошибка в расхождении хромосом при клеточном делении приводит к опасным нарушениям, которые могут вызвать рак. А если речь идет о половых клетках — то тяжелые наследственные заболевания.

Несмотря на это, до сих пор не было сколько-нибудь точных и достоверных оценок величины сил, которые двигают хромосомы во время этого процесса. Ранее выдвигавшиеся оценки отличались в сотни и тысячи раз, что, конечно, совершенно недопустимо в науке. Марески с коллегами, судя по всему, смогли решить эту проблему.

Для этого они в течение трех лет изучили под мощным микроскопом свыше 3 тыс. веретен деления. К кинетохорам в них исследователи прикрепляли флюоресцентные молекулы-индикаторы двух типов. Молекулы первого начинали светить ярче, когда к кинетохору прикладывалось давление, в то время, как молекулы второго типа, напротив, тускнели. Поскольку яркость каждого из типов молекул в нормальных условиях была тщательно откалибрована, сопоставление ее изменений позволяло достаточно точно вычислить величину искомой силы. Она оказалась порядка сотни пиконьютонов (пН) — в масштабах клетки это много.

Наблюдения дали и еще некоторые результаты. Во-первых, оказалось, что эта сила исходит именно от нанотрубок. Во-вторых, действует она медленно, но планомерно.

«В клетках есть много разных движущих сил, многие из них похожи на спринтеров. Но та, что измеряли мы — скорее как бульдозер: она прикладывает большую силу медленно, но на постоянной основе».

Источник: Научная Россия

Генетики выяснили, как "лишняя" женская Х-хромосома сворачивается в так называемое тельце Барра и остается неактивной в организме здоровых женщин и самок млекопитающих, говорится в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Люди и все другие виды млекопитающих обладают ХY-системой определения пола – у мужчин и самцов есть по одной "женской" Х-хромосоме и "мужской" Y-хромосоме, а у женщин и самок – по две Х-хромосомы.

Одной из главных генетических загадок жизни является то, как организм "узнает" о наличии лишней копии Х-хромосомыи отключает одну из них, превращая ее в так называемое тельце Барра – туго закрученный "сверток" ДНК, хорошо видный под микроскопом.

Мириам Хантли (Miriam Huntley) из Гарвардского университета (США) и ее коллеги выяснили, что заставляет лишнюю Х-хромосому свернуться в клубок и как его формой можно гибко управлять, изучив строение тельца Барра на молекулярном уровне.

Наблюдая за структурой этого клубка ДНК при помощи технологий компьютерного моделирования, ученые выяснили, что нити генома в тельце Барра заплетены в гигантские петли, содержащие в себе десятки миллионов "букв"-нуклеотидов. Если смотреть на этот клубок в трехмерном виде, нити в этих петлях были расположены очень близко друг к другу, несмотря на то, что в "двумерной" проекции их отделяли сотни тысяч и миллионы нуклеотидов.

Эти гиперпетли, как их называют ученые, были заплетены в сверхсложный клубок благодаря одной простой вещи – небольшим фрагментам "бессмысленного", как считалось ранее, генетического кода DXZ4, копии которого были вставлены в те части Х-хромосомы, которые при ее "отключении" становились кончиками ДНК-петель. Схожие петли и DXZ4-участки, по словам генетиков, присутствуют не только в геноме человека, но и мышей и обезьян.

Когда ученые удалили этот участок из ДНК при помощи универсального геномного редактора CRISPR/Cas9, структура клубка нарушилась и он фактически развалился, многократно увеличившись в объеме. Это происходило потому, что белок когезин, сплетающий ДНК в тельце Барра, не находил меток DXZ4 на поверхности "выключенной" Х-хромосомы.

Нарушения в его работе, как считают ученые, могут вызывать те редкие проблемы, которые возникают у женщин, чья "лишняя" Х-хромосома не бывает выключена полностью. В их число входит аутизм, болезнь Ретта и ряд других расстройств умственного развития.

Источник: РИА Новости

Международная группа генетиков под руководством Моники Кармин из Тарту (Эстония) при содействии коллег из США, Великобритании, России и многих других стран построила своеобразное древо жизни мужчин. Об этом сообщается на официальном сайте университета Аризоны, месте работы Мелиссы Вилсон Сайрес (Melissa A. Wilson Sayres), еще одного основного автора исследования. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Genome Research.

Ученые исследовали данные 456 Y-хромосом, взятых в рамках этого исследования из разных популяций, и на основании этого построили дерево. После этого, зная, с какой скоростью происходят мутации в этой мужской хромосоме, они смогли датировать основные узлы на этом дереве. По их данным оказалось, что последний общий предок всех мужчин, так называемый «у-хромосомный Адам», жил около 254 тысяч лет назад —раньше считалось, что он жил около 100-150 тысяч лет назад.

Однако после этого события, по данным группы Моники Кармин, мужчинам еще дважды пришлось пройти через своего рода бутылочное горлышко, и каждое значительно сократило генетическое разнообразие мужской популяции. Первое произошло около 47-54 тысяч лет назад, когда часть человечества покинула Африку и быстро распространилась по остальным частям света. Второе — около 10 тысяч лет, что примерно совпадает со временем неолитической революции, т.е. переходу к земледелию и оседлому образу жизни.

При этом, замечают ученые, на женской части населения эти события генетически отразились гораздо слабее. В частности, 8-10 тысяч лет назад генетическое разнообразие среди женщин, напротив, увеличилось, и получилось, что тогда мужчин, которым удавалось оставить свое «генетическое» потомство, было в 17 раз меньше, чем женщин, которым удалось родить девочку. Антропологическую составляющую того, почему столь многим мужчинам не удавалось оставить мужского потомства, авторы статьи оставляют за скобками, только констатируя, что большинство отдельных мужских линий имеют возраст всего 4 тысячи лет, в то время как женские — 10-15 тысяч лет.

Как говорят аналитики, это может быть следствием разных факторов, например, какой-то эпидемии, поражавшей только мальчиков, (хотя следов такой болезни и не найдено) или запрета вступать в брак до получения некоторого высокого статуса, а также практикой многоженства. Также, такое соотношение может быть объяснено тем, что во время неолитической революции земледельцы получили преимущество и могли уже не все свое время тратить на добычу ресурсы, а вести войны и, соответственно, убивать своих соседей охотников и уводить их женщин.

Следует отметить, что хотя и утверждается, что взятые Y-хромосомы равномерно представляют все современные популяции, реально они скорее представляют народы бывшего Советского Союза, Европы, Монголии и Индии, остальные территории представлены весьма выборочно. Например, там почти отсутствуют данные о населении Америки, Африки, Китая или Новой Гвинеи, а данных об аборигенах Австралии нет вообще. Соответственно, речь идет о населении так называемого плодородного полумесяца на территории Ближнего Востока — региону древнейшего возделывания пшеницы и ячменя — и культурах, возникших из него, а не о других ранних земледельческих культурах, возникших независимо, в частности, в Южной Азии и в Америке.

Источник: Научная Россия

Ученые впервые смогли «засечь» эволюционные изменения, протекающие параллельно в разных популяциях организмов. Буквально на их глазах сверчки онемели, спасаясь от паразитических мух.

СверчокОб этом говорится в статье британских энтомологов из Сент-Эндрюсского университета, опубликованной в журнале Current Biology.

Внимание британцев привлекли сверчки Teleogryllus oceanicus, занесенные не так давно из Австралии на Гавайские острова. Подобно остальным сверчкам, самцы этого вида стрекочут, потирая друг о друга передние крылья. Но в 2003 году ученые впервые заметили на гавайском острове Кауаи сверчков с видоизмененными крыльями, утративших способность к пению.

Дело в том, что на Гавайи не так давно из Северной Америки попала мушка-паразит Ormia ochracea. Она находит сверчков по звуку и откладывает им на спину свои яйца. Появляющиеся из них личинки поедают неудачливого певца. Отказ от пения делает самцов менее привлекательными в глазах самок, но зато сохраняет им жизнь.

Спустя примерно 20 поколений уже примерно 90% сверчков на острове Кауаи были немыми. Когда прошло еще два года, энтомологи обнаружили немых сверчков и на другом острове, Оаху, удаленном от Кауаи на 100 километров. Сначала энтомологи предположили, что немых насекомых занесли на этот остров суда, однако генетические исследования показали, что это не так.

Исследователи выяснили, что у сверчков с Оаху и Кауаи мутация, отвечающая за немоту, произошла в одном и том же гене в одной и той же хромосоме. Однако все остальные ДНК-маркеры у двух этих популяций различны, поэтому какого-либо обмена генами между ними быть не могло. Следовательно, одна и та же эволюционная адаптация была приобретена сверчками независимо друг от друга.

Сходные изменения, происходящие у близких групп организмов, называются конвергентной эволюцией. Ранее ученым никогда не удавалось наблюдать ее в природе в режиме реального времени.

Источник: infox.ru

О том, что у пресноводной инфузории Tetrahymena thermophila есть семь полов, учёные выяснили около пятидесяти лет назад. Мы знаем, что у полов есть генетические детерминанты: грубо говоря, у мальчиков есть Y-хромосома, у девочек её нет. Чехарда этих хромосом при образовании половых клеток и их последующем слиянии и определяет пол будущей особи. Очевидно, что семь полов Tetrahymena thermophila тоже как-то определяются, однако до сих пор наследование пола у этой инфузории оставалось загадкой.

Пара тетрахимен под световым микроскопом (фото Proyecto Agua / Water Project).Разрешить её смогли учёные из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США). Им удалось найти пары генов, специфичные для каждого из полов инфузории. По словам Эдуардо Ориаса, который руководил исследованиями, эти гены довольно близки друг к другу и, очевидно, восходят к некоему общему гену-предку. Во время эволюции, однако, их пути разошлись, и сейчас эти пары генов стали у Tetrahymena thermophila генетическими детерминантами.

У каждой тетрахимены в клетке есть два ядра — большое, или соматическое, и малое, или половое. Как легко понять, всё, что касается пола, заключено в малом ядре: это, можно сказать, что-то вроде семенника или яичника. Каждый пол может скрещиваться с другим, и во время полового процесса появляются новые большое и малое ядра, скомбинированные из генетического материала двух инфузорий. Половое ядро, как пишут исследователи в веб-журнале PLoS Biology, содержит неполные наборы двух пар генов. То есть в малом ядре есть сразу два пола, но в неактивном виде, так как их гены слегка урезаны. В большом же ядре присутствует пара целых половых генов — но только одна, подходящая лишь к одному полу.

После формирования новых ядер половые гены из большого ядра отдают генам малого ядра недостающие части. В этот момент в малом ядре какой-то пол получает преимущество, а другая пара генов, которая осталась неотремонтированной, удаляется из генома. Весь процесс авторы работы сравнивают с рулеткой с семью секторами: каждый пол случайно встречается с другим, а потом так же случайно происходит выбор из двух полов. Всё это, понятно, контролируется молекулярной машиной, которая вырезает и вставляет куски генов, но при этом ни один пол не имеет преимущества, то есть половая детерминанта формируется случайно.

Исследователи полагают, что изучение молекулярной машины, заведующей полом у тетрахимен, поможет понять, как работают механизмы генетической рекомбинации у других организмов, в том числе у человека. Что же до того, зачем инфузориям понадобилось так усложнять свою личную жизнь, то считается, что с помощью семи полов они защищены от различных перипетий в среде обитания: если вдруг из-за чего-то резко упадёт численность одного-двух полов, то на «размноженческих» возможностях это почти не скажется.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Испанские учёные из Университета Гранады и Университета Малаги выявили наиболее крупную структурную единицу генома человека.

Хромосомы человека под сканирующим электронным микроскопом (иллюстрация Biophoto Associates / Science Photo Library) Ранее самыми большими элементами структуры ДНК считались изохоры — сегменты, длина которых доходит до сотен тысяч пар оснований. Изохоры отличаются друг от друга по содержанию азотистых оснований гуанина (Г) и цитозина (Ц). Каждому семейству изохор соответствует своё ГЦ-содержание, которое поддерживается на одном уровне во всём сегменте.

Искать более крупные структурные единицы авторам помогал вполне обычный алгоритм, основанный на понятии энтропии. Термодинамическая энтропия, как известно, связана со статистическим весом состояния — числом способов, которыми можно перейти в это состояние. Если при подбрасывании монеты, к примеру, пять раз подряд выпадали решки, а потом выпала аналогичная последовательность орлов, то весь ряд имеет высокую «энтропию», так как получить в десяти опытах равное количество орлов и решек можно самыми разными способами. Последовательности из пяти одинаковых результатов имеют прямо противоположные свойства.

В процессе поиска нуклеотидный ряд разбивался на сегменты так, чтобы энтропийная разность между отдельными отрезками и всей последовательностью оказалась максимальной. Полученные результаты сравнивались с теми, которые дало бы случайное расположение нуклеотидов в геноме. Заметим, что здесь исследователи учитывали важную особенность реальной ДНК: вероятность появления в ней конкретного азотистого основания зависит от предшествующих нуклеотидов. Обычно при сравнении использовали простую случайную последовательность оснований.

Как выяснилось, каждая хромосома составлена из нескольких огромных (~107 пар оснований) сегментов со сравнительно стабильным ГЦ-содержанием. Эти сегменты содержат в среднем по 200 генов.

Если открытые «суперструктуры» реальны, они должны иметь некий биологический смысл. Учёные показали, что это условие выполняется, задействовав базу данных, в которой каждому гену присваивается набор терминов, описывающих его функции. У любых двух генов из одной «суперструктуры» совпадают около 18 терминов, тогда как гены, выбранные случайным образом, схожи лишь по шести характеристикам.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Physical Review E. 

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Исследование, проведённое в НИИ биомедицины в Барселоне (Испания), выявило решающую роль, которую играет белок Nek9 в клеточном делении — фундаментальном процессе, обеспечивающем развитие всего организма и здоровье его тканей.

Веретено деления: микротрубочки выделены красным, ДНК — синим, центросомы — жёлтым. (Микрофото S. Sdelci / IRB Barcelona.)В частности стало понятно, что присутствие Nek9 в клетке совершенно необходимо для того, чтобы она смогла разделить хромосомы на две идентичные группы (обязательное условие нормального клеточного деления). Ошибки, возникающие при этом, приводят к спонтанным выкидышам и генетическим дефектам (если выкидыш все-таки не случился) вроде трисомии . Кроме того, они напрямую связаны с развитием самых разнообразных злокачественных опухолей.

В своей работе испанцы сфокусировались на первой стадии деления клеточных ядер — митозе. Процесс распределения хромосом требует развития специального белкового аппарата, который разделит две копии генетического материала таким образом, что две вновь образовавшиеся клетки унаследуют одинаковое содержание. Протеин Nek9 участвует в приготовлении центросом, органелл, вовлечённых в организацию развития митотического веретена (веретена деления), которое состоит из микротрубочек . Именно веретено вместе с несколькими «моторами» растаскивает хромосомы на пару одинаковых групп.

Авторы работы обнаружили, что Nek9 модифицирует и контролирует NEDD1 , а через него — молекулу, участвующую в образовании новых микротрубочек, жизненно необходимых для приготовления митотического веретена. Без Nek9 веретено не сформируется надлежащим образом, и клеточное деление сильно затруднится. В результате клетка либо погибнет, либо поделится, образовав две новые клетки с неравномерным распределением хромосом, а это ситуация, которая часто наблюдает в клетках опухоли.

Одна из основных стратегий в борьбе с развитием злокачественных опухолей заключается в разработке препаратов, способных прерывать процесс деления клеток. Сейчас созданы и проходят клинические испытания лекарства, ингибирующие деятельность таких генов, как Plk1 , Aurora и Eg5. Авторы исследования прозрачно намекают разработчикам противораковых средств на то, что Nek9 по роду деятельности находится между Plk1 и Eg5, где последний играет роль белкового мотора. Впрочем, стоит напомнить, что, в отличие от таких онкогенов, как Aurora, белок Nek9 необходим для деления не только раковых, но и здоровых клеток. Поэтому воздействие на него приведёт к стрессу всего организма, что может закончиться образованием множественных опухолей, никак не связанных с первичным новообразованием.

Подробнее с работой и всеми полученными результатами можно ознакомиться в журнале Current Biology .

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Исследователи впервые сравнили геномы сперматозоидов с геномами обычных, соматических клеток.

Специалисты из Стэнфордского университета (США) рассказывают в журнале Cell о том, что увидели, прочитав ДНК человеческого сперматозоида. Но даже далёкий от науки непременно заметит, что геном человека был секвенирован почти 10 лет назад. Чтобы понять, почему геном сперматозоида был удостоен статьи в Cell, вспомним следующее. У человека, как опять же всем хорошо известно, 23 пары хромосом. Но у наших половых клеток все хромосомы без пары, то есть у сперматозоида и яйцеклетки просто по 23 хромосомы.

При созревании половых клеток дочерним клеткам отходят гомологичные хромосомы, то есть хромосомы с одинаковыми генами, но разными аллелями этих генов. К примеру, обе хромосомы несут ген цвета глаз, но на одной из них будет аллель зелёного цвета, а на другой — карего. Однако, чтобы гомологичные хромосомы не оставались неизменными в веках, они претерпевают интенсивную рекомбинацию — обмен участками ДНК. Рекомбинация, расхождение хромосом по сперматозоидам и яйцеклеткам, и потом случайное соединение генетического материала в оплодотворённом яйце обеспечивают огромное разнообразие геномов и тем повышают шансы выживания вида в меняющихся условиях среды.

Из всего этого понятно, что сперматозоид должен весьма отличаться по геному от остальных клеток тела человека, поэтому тут возникает другой вопрос: почему ни у кого до сих пор не доходили руки сравнить их? В эксперименте участвовал 40-летний мужчина, у которого были здоровые дети и здоровые сперматозоиды. Исследователи секвенировали геном 91 сперматозоида и сравнили полученные последовательности с ДНК неполовых клеток подопытного. И обнаружили удивительное разнообразие в геномах сперматозоидов. В среднем, по словам учёных, рекомбинация ДНК для каждого сперматозоида происходила около 23 раз (тут надо учитывать, что места, где участки хромосом рекомбинантно обменивались, для каждой клетки могут быть свои, что они не жёстко прописаны). Но это, как подчёркивают авторы работы, в среднем. У некоторых же сперматозоидов уровень рекомбинации был намного выше.

Так же обстояло дело и с мутациями: например, два сперматозоида при созревании вообще потеряли по хромосоме. В среднем число замен единичных нуклеотидов было от 25 до 36 на клетку. Некоторые из этих мутаций были благоприятны, некоторые — наоборот. Причём настолько наоборот, что, добейся такой сперматозоид удачи с яйцеклеткой, эмбрион просто не выжил бы.

Всё это, заметим, на фоне отсутствия каких-то аномалий у детей и внешне вполне здоровой сперме. То есть уровень изменчивости при производстве половых клеток таков, что даже при идеально здоровой родословной у человека могут появиться дети с генетическими отклонениями. Полученные результаты заставляют по-новому отнестись к проблемам наследственных заболеваний, предрасположенности к раку, бесплодию и т. п.: столь высокий уровень изменчивости половых клеток придаёт этим неприятным вещам ещё больше непредсказуемости.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

 Учёные разгадали загадку, откуда взялось несколько видов центромер, за которые клетка растаскивает хромосомы по полюсам деления при размножении.

Во время деления перед клеткой стоит сложная задача: правильным образом распределить хромосомы между дочерними клетками. В зависимости от вида деления (митоз это или мейоз) в дочерние клетки расходятся гомологичные хромосомы или же сестринские хроматиды. Но в любом случае хромосому тащат за центромеру — особую структуру, которая, если нарисовать хромосому в классической Х-образной форме, будет находиться как раз в перемычке икса. Центромера отличается по структуре ДНК и связанных с ней белков от остальной хромосомы. Хотя в целом принцип упаковки ДНК здесь соблюдён: нить нуклеиновой кислоты наматывается на «шайбу» из белков гистонов, формируя элементарную единицу строения хромосомы — нуклеосому.

При делении к центромере крепятся особые молекулярные «канаты», которые начинают тянуть хромосому (или хроматиду) к полюсам деления. Понятно, что от строения центромеры зависит весьма много: неправильная центромера может стать причиной неправильного расхождения хромосом, а это чревато самыми разными болезнями, от синдрома Дауна до рака. Однако, хотя клеточное деление — один из самых интенсивно изучаемых феноменов, до сих пор учёные не имели единого мнения о структуре центромеры. Было известно, что в состав центромерной нуклеосомы входит особая модификация гистона H3. С другой стороны, по разным данным у центромер насчитали шесть разных структур. Вопрос о том, как они соотносятся друг с другом и с клеточным делением, долгое время был большой головной болью для клеточных биологов.

Учёным из Института медицинских исследований Стауэрса (США) удалось раскрыть эту загадку. По их словам, в ходе деления центромера просто меняет структуру, и, рассматривая клетку на разных этапах клеточного цикла, действительно можно насчитать несколько разных центромер. Выяснить это удалось с помощью остроумного методического решения. Исследователи работали с дрожжевыми клетками, у которых в состав центромеры входит гистон Cse4. Чтобы можно было наблюдать за его судьбой, к нему пришили зелёный флюоресцирующий белок. Но исследователи не просто наблюдали за светящимися точками в дрожжевых клетках: они сравнивали интенсивность светимости на разных этапах клеточного цикла.

У дрожжей 16 хромосом, и если в каждой из них есть по центромере, а в каждой центромере сидит по одной копии Cse4, то суммарная светимость клетки должна быть в 16 раз больше, чем светимость одной молекулы Cse4 со светящимся белком. Так и было до того момента, когда клетка начала непосредственно делиться. А когда хромосомы стали расходиться по полюсам, светимость клетки возросла ещё вдвое (то есть она светилась в 32 раза сильнее, чем одна молекула белка).

Иными словами, как пишут исследователи в журнале Cell, центромера обладает переменной структурой, причём эта переменность проявляется, казалось бы, в самый неподходящий момент. Это можно сравнить с тем, как если бы кран поднимал бетонную плиту вместе со строителями, а те вдруг решили поменять крепления между подъёмным тросом и плитой. В случае с центромерой один из белков нуклеосомного комплекса уходит, и на его место приходит ещё одна копия Cse4. После распределения хромосом одна молекула Cse4 покидает центромеру.

Похожие результаты, но с клетками человека были получены группой учёных из Национального онкологического института (США), которые опубликовали свои данные в том же журнале. То есть такие преобразования центромер не есть особенность дрожжей, а свойственны, скорее всего, самым разным организмам и типам клеток. Очевидно, у клетки есть причины для того, чтобы так усложнять себе жизнь. Пока же учёные радуются разрешению важной загадки, связанной с клеточным делением. Возможно, теперь станет ясным механизм некоторых аномалий развития: чтобы хромосомы разошлись неправильно, клетке нужно лишь забыть поменять перед делением один белок центромеры на другой.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА