分子监护人在细胞分裂期间监测染色体

细胞可能发生的最糟糕的事情之一就是染色体的数量错误。如果在细胞分裂过程中出现问题，可能会发生这种情况，并且可能导致不孕，流产，先天缺陷或癌症。据估计，30%的流产是由于胚胎细胞中染色体数量不正确造成的。

细胞生物学家Needhi Bhalla研究染色体如何在细胞分裂的复杂编排中监测自身以防止这种错误。她的研究重点是一种特殊类型的细胞分裂，称为减数分裂，它可以产生雌性卵和雄性卵细胞。该过程与普通细胞繁殖的细胞分裂(称为有丝分裂)完全不同。

“了解这些基本的生物学机制如何发挥作用非常重要，这样我们才能理解当它们出错时会发生什么，”加州大学圣克鲁兹分校，细胞和发育生物学副教授Bhalla说。“我们知道染色体数量不正确会导致遗传性疾病和出生缺陷。了解这种情况会如何发生，从而帮助我们预防或识别诊断标记，从而使人们能够更好地做出有关生殖健康的决定。”

当你考虑染色体在减数分裂期间必须做的一切时，这个过程产生一个可行的卵子或精子是一个奇迹。关键步骤称为重组，涉及染色体交换DNA的整个部分。这就像洗牌一副牌，这就是兄弟姐妹尽管拥有同样的父母而可以如此不同的原因。

“重组涉及故意削减DNA，因此它充满了兴趣，并且细胞如何进化以解决这个问题非常有趣。你有一个容易出错的机制，而且这是一个复杂的结构来限制错误，”Bhalla说。 。

为什么减数分裂首先是一个精心设计，容易出错的过程?与生物学中的大多数事物一样，答案在于进化和自然选择。有性繁殖，通过在减数分裂期间通过重组改变甲板，产生后代的遗传多样性，后代是自然选择的原料。

“减数分裂会产生新的遗传组合，自然选择会对此产生影响。我们在进化中看到的一切都是减数分裂发生的结果，”Bhalla说。

她研究的染色体监测系统涉及一系列检查点，以确保在细胞进入下一步之前，减数分裂中的每个步骤都已正确完成。检查点是分子机制，可以停止细胞周期，直到下一步的一切都进行，并且如果发生错误，它们甚至可以使细胞自毁。

在减数分裂中，需要监控很多步骤。体内的大多数细胞都有两组染色体，一组来自父亲，一组来自母亲。卵子和精子细胞只有一组染色体，这样当卵子和精子合并时，受精会产生一组带有两组染色体的胚胎。因此，减数分裂的关键功能是将这种减少完成到一组染色体。它从同源染色体的配对开始：来自妈妈对的染色体19和来自爸爸的染色体19，依此类推。

当同源染色体配对时，它们会组装一种称为联会复合体的结构，将它们固定在一起。此时，当两条同源染色体交换DNA片段时，重组会改变遗传层。然后，联会复合体分解，同源染色体分离成两个子细胞。这只是第一部分。

“有一个检查点确保染色体正确突触，一个监测重组的检查点，另一个确保染色体附着在将它们分开的设备上，等等，”Bhalla说。

减数分裂的第二部分涉及重复染色体的分离。在减数分裂或有丝分裂开始之前，所有染色体都会复制自己，副本(称为姐妹染色单体)保持在一起。在有丝分裂期和减数分裂的第二阶段，姐妹染色单体分离成分开的子细胞。

在10月4日发表在Current Biology上的一项新研究中，Bhalla实验室研究了一种名为shugoshin的检查点分子，这意味着日语中的“守护精神”。Shugoshin最初被确定为减数分裂中的重要因素，用于调节姐妹染色单体在称为着丝粒的结构中如何结合在一起。Bhalla的实验室发现它实际上在减数分裂中扮演了更广泛的角色，建立了正确的染色体结构并确保了重组的正确进展。

“这些蛋白质是多任务的，细胞利用它们进行多种功能，使染色体在不同的环境中做出截然不同的事情，”Bhalla说。

染色体在其DNA中保留了生物体的遗传蓝图，但DNA只是高度复杂的染色体结构的一部分，涉及许多不同功能的不同蛋白质，从包装DNA到监测染色体本身的行为。

“染色体参与监测他们自己的行为。有一种美，因为他们是活跃的参与者，你会期望他们被动，”Bhalla说。“当你看到细胞分裂，染色体排列和隔离时，它们似乎是被动的，但我们知道它们是积极的参与者，它们的结构有助于此。”