Замены в белках веретена деления удлиняют метафазу и снижают вероятность ошибки

Ученые из института эволюционной антропологии общества Макса Планка определили биологическую роль трех аминокислотных замен, которые в числе прочих отличают современного человека от неандертальца. Это замены в белках KNL1 и KIF18a, участвующие в формировании веретена деления. Благодаря им метафаза в человеческих клетках занимает больше времени, что снижает риск ошибок в расхождении хромосом.

Credit:
123rf.com

С тех пор, как современные люди отделились от неандертальцев, в их геноме закрепились и распространились около ста аминокислотных замен. Их биологическая роль до сих пор волнует ученых. Исследователи из института эволюционной антропологии общества Макса Планка расшифровали биологическую роль трех таких мутаций.

Ранее эта же команда заметила, что человеческие клетки-предшественники новой коры головного мозга проводят намного больше времени в метафазе, чем те же самые клетки у человекообразных обезьян. Авторы предположили, что причина этих различий лежит в работе белков кинетохора — специальной структуры для прикрепления хромосом к веретену деления — и белков, связанных с разделением хромосом. Этот процесс очень важен для клетки, так как хромосомы должны симметрично разойтись к полюсам. Он контролируется с помощью системы контрольной точки SAC (spindle assembly checkpoint).

Ученые предположили, что к удлинению метафазы привели аминокислотные замены в белках KIF18a, KNL1 и SPAG5. Вероятно, эти замены, характерные только для человека, могут снижать вероятность ошибки при расхождении хромосом.

Для проверки этой гипотезы ученые провели эксперименты на органоидах мозга человека и на мышах, которые были генетически модифицированы с помощью технологии CRISPR-Cas.

SAC активируется, если один или более кинетохоров не прикрепились к микротрубочкам, что замедляет наступление анафазы и продлевает метафазу. Сначала ученые проанализировали количество SAC-положительных клеток в органоидах, полученных из человеческих клеток и из клеток шимпанзе. Они обнаружили, что доля клеток-предшественников неокортекса с активной контрольной точкой SAC в оганоидах шимпанзе на 36% меньше, чем в человеческих органоидах. Более того, при сравнении с образцами из новой коры мозга человеческого плода эта разница увеличилась до 46%.

Исследователи оценили количество отстающих хромосом с помощью конфокальной микроскопии. Оказалось, что у человека доля таких событий была на 1% меньше, чем у шимпанзе. Большинство нарушений были обнаружены в телофазе, поэтому, по мнению ученых, уже не могут быть исправлены.

Затем ученые получили гуманизированных мышей, которые экспрессировали человеческие варианты белков KIF18a, KNL1 и SPAG5, чтобы исследовать их роль в делении клеток новой коры мозга. Неожиданно они обнаружили, что мутации в SPAG5 не имеют значимого биологического эффекта. Мыши с парой человеческих белков KIF18a и KNL1 демонстрировали такое же удлинение метафазы, как и мыши со всеми тремя человеческими белками. В то же время ученые обнаружили кооперацию двух замен в белке KNL1. По одиночке эти мутации не влияли на длительность метафазы, однако совместно они увеличивали время расхождения хромосом.

Исследователи выяснили, что замены в белках KIF18a и KNL1 также привели к росту числа SAC-положительных клеток. Более того, в клетках модифицированных мышей было меньше ошибок, связанных с неправильным расхождением хромосом.

Аналогичные результаты ученые получили на человеческих органоидах. Однако в этом случае они провели обратный эксперимент и заменили человеческие белки KIF18a и KNL1 на их предковые формы. После этой манипуляции исследователи отметили увеличение ошибок в расхождении хромосом.

Таким образом, авторы показали биологический эффект трех мутаций, которые в числе прочих отличают современного человека от неандертальца. Замены в белках KIF18a и KNL1 увеличивают время нахождения клетки в контрольной точке SAC. Благодаря этому делящиеся клетки с большей вероятностью избегают ошибок в расхождении хромосом. Интересно, что это специфическое увеличение метафазы характерно для определенной стадии развития мозга — оно происходит только при формировании новой коры.

Источник:

Felipe Mora-Bermúdez, et al. Longer metaphase and fewer chromosome segregation errors in modern human than Neanderthal brain development. // Science Advances. 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abn7702

Добавить в избранное

Вам будет интересно