Elk van uw cellen bevat twee exemplaren van 23 chromosomen, één geërfd van je vader en één van je moeder. theoretisch, wanneer je een gameet maakt - een sperma of een ei - heeft elke kopie een kans van 50-50 om te worden doorgegeven. Maar de realiteit is niet zo duidelijk.

Wetenschappers hebben waargenomen dat chromosomen kunnen "bedriegen, " de kans vertekend dat ze in een sekscel terechtkomen. Nu, een team van de Universiteit van Pennsylvania heeft laten zien hoe deze vooringenomenheid ontstaat in vrouwelijke cellen. Met zorgvuldige observatie en experimenten met eicellen van muizen, de voorlopers van eieren, ze hebben moleculaire signalen gedetecteerd die een asymmetrie creëren in de machinerie die meiose aanstuurt, het celdelingsproces dat aanleiding geeft tot gameten. Bepaalde chromosomen, vonden de onderzoekers, misbruik deze asymmetrie om zich tijdens de deling naar de "rechterkant" van een cel te verplaatsen en in het ei te belanden.

Door licht te werpen op een veelvoorkomend maar slecht begrepen facet van meiose, de bevindingen kunnen leiden tot een beter algemeen begrip van meiose, inclusief hoe en waarom fouten kunnen ontstaan. Fouten in de manier waarop chromosomen tijdens meiose tot gameten segregeren, zijn de hoofdoorzaak van sommige miskramen en aandoeningen zoals het syndroom van Down.

"Als we begrijpen hoe deze egoïstische elementen de mechanica van meiose uitbuiten, dan zullen we beter begrijpen hoe dat proces in de eerste plaats werkt, " zei Michael Lampson, universitair hoofddocent biologie aan Penn's School of Arts and Sciences en senior auteur van het onderzoek.

Lampson werkte samen met laboratoriumleden Takashi Akera, Lukaš Chmátal, Emily Trimm en Karren Yang, evenals Richard M. Schultz, de Charles en William L. Day Distinguished Professor in de biologie; David Chenoweth, universitair hoofddocent bij de afdeling Chemie; Chenoweth laboratoriumlid Chanat Aonbangkhen; en Carsten Janke van het Franse Institut Curie. Hun studie verschijnt in het tijdschrift Wetenschap .

Al decenia, wetenschappers waren zich ervan bewust dat genetische elementen tijdens meiose in competitie leken te gaan, omdat sommige werden overgedragen aan de gameten met een snelheid die constant hoger was dan het toeval zou dicteren. De term voor deze vooringenomen transmissie is 'meiotische aandrijving'.

"Meestal denken we aan egoïstische genen op het niveau van natuurlijke selectie en selectie van de sterkste, "Zei Lampson. "Dat zou kunnen betekenen dat een gen dat ervoor zorgt dat je langer leeft of je meer voortplant of je vijanden doodt, waarschijnlijker wordt doorgegeven. Maar we kunnen ook denken aan egoïsme op het niveau van het gen zelf. In deze context, genen concurreren met elkaar om in de gameet te komen. En hoewel we bewijs hadden dat dit kon gebeuren, we begrepen niet echt hoe het kon gebeuren."

Om bevooroordeelde transmissie te laten plaatsvinden, redeneerde het Penn-team, iets in de fysieke machinerie van celdeling moet dit mogelijk maken. In het geval van vrouwen, de laatste fase van meiose leidt tot de creatie van één cel die het levensvatbare ei wordt en een andere cel die een poollichaam wordt genoemd, die doorgaans wordt afgebroken.

De onderzoekers kozen ervoor om zich te concentreren op de celdelingsmachinerie, het bestuderen van de meiotische spil, de structuur bestaande uit microtubuli die zich hechten aan chromosomen, ze naar tegenoverliggende zijden van een cel trekken voordat deze zich deelt.

Kijkend naar microtubuli in eicellen van muizen, ze vonden een scheve verdeling van een modificatie die tyrosinatie wordt genoemd:de eikant van de cel had minder van deze modificatie dan de andere kant, dichter bij wat de cortex wordt genoemd. Deze asymmetrie was alleen aanwezig in het stadium van meiose wanneer de spil vanuit het midden van de cel naar de cortex beweegt.

"Dat vertelde ons dat welk signaal dan ook dat de tyrosinemodificatie opzet, uit de cortex komt, ' zei Lampson. 'De volgende vraag is, Wat is dat signaal?"

De onderzoekers hadden al wat informatie over moleculen die aan de corticale kant van de cel in expressie toenemen, waaronder een genaamd CDC42. Om te testen of dit molecuul heeft bijgedragen aan de asymmetrische tyrosinatie, de onderzoekers gebruikten een experimenteel systeem dat Lampson en Chenoweth eerder hadden bedacht en dat een lichtgevoelige test gebruikt om CDC42 selectief aan één kant van de paal te verrijken. Hun resultaten suggereerden dat CDC42 verantwoordelijk was, althans gedeeltelijk, voor het induceren van de tyrosinatie-asymmetrie en dus de asymmetrie van de spil in de delende cel.

Nadat we hebben vastgesteld dat asymmetrie bestaat en hoe deze ontstaat, de Penn-onderzoekers wilden aantonen dat deze asymmetrie ervoor zorgt dat chromosomen vals spelen. Ze deden dit door zich te concentreren op centromeren, het gebied van een chromosoom dat aan de spoel hecht. Twee muizenstammen kruisen, ze eindigden met dieren die twee soorten centromeren bezaten in elk van hun cellen, een grotere en een kleinere.

Uit eerder werk van de groep, ze wisten dat het bekend was dat de grotere centromeren bij voorkeur doorgaven aan de gameten. In het huidige werk ze bevestigden dat hoe groter, "sterkere" centromeren zouden inderdaad eerder naar de pool van de cel gaan die het ei zou worden.

Toen de onderzoekers de spilasymmetrie afschaften door CDC42 en andere doelen te muteren, de vooringenomenheid in centromeeroriëntatie verdween.

"Dat verbindt de spilasymmetrie met het idee dat chromosomen of centromeren daadwerkelijk vals spelen, ' zei Lampson.

Maar dit resultaat riep ook de vraag op wanneer de centromeren vertekend raakten in hun oriëntatie, als de spil begint in het midden van de cel, op welk punt centromeren al op een onbevooroordeelde manier zijn bevestigd. De asymmetrie en vooringenomen centromeeraanhechting treden later op.

Voer de flipping centromeer in. Met behulp van live beeldvorming van muis eicellen, de onderzoekers ontdekten dat de "sterkere" centromeren meer kans hadden om los te komen van de spil dan zwakkere centromeren en vooral waarschijnlijk zouden loslaten als ze naar de corticale kant van de cel waren gericht, vermoedelijk om te draaien en zich te heroriënteren naar de eierpool van de cel. De zwakkere centromeren lieten slechts zelden los en vertoonden geen voorkeur voor de ene of de andere kant van de cel.

"Als je een egoïstische centromeer bent en je kijkt de verkeerde kant op, je moet loslaten zodat je de andere kant op kunt, "Zei Lampson. "Zo 'win' je."

Bij toekomstig werk, Lampson en zijn team hopen verder te onderzoeken welke kenmerken van de centromeren hen sterk of zwak maken.

"Dit werk gaf ons goede informatie over bevooroordeelde overdracht van centromeren, maar het roept ook een heleboel andere vragen op, " zei Lampson. "Waarom zien onze centromeren er zo uit, en hoe evolueren ze om deze competities te winnen? Dit zijn fundamentele biologische vragen waar we nog steeds niet veel van weten."