細(xì)胞可能發(fā)生的最糟糕的事情之一就是染色體的數(shù)量錯(cuò)誤。如果在細(xì)胞分裂過程中出現(xiàn)問題，可能會(huì)發(fā)生這種情況，并且可能導(dǎo)致不孕，流產(chǎn)，先天缺陷或癌癥。據(jù)估計(jì)，30%的流產(chǎn)是由于胚胎細(xì)胞中染色體數(shù)量不正確造成的。

細(xì)胞生物學(xué)家Needhi Bhalla研究染色體如何在細(xì)胞分裂的復(fù)雜編排中監(jiān)測(cè)自身以防止這種錯(cuò)誤。她的研究重點(diǎn)是一種特殊類型的細(xì)胞分裂，稱為減數(shù)分裂，它可以產(chǎn)生雌性卵和雄性卵細(xì)胞。該過程與普通細(xì)胞繁殖的細(xì)胞分裂(稱為有絲分裂)完全不同。

“了解這些基本的生物學(xué)機(jī)制如何發(fā)揮作用非常重要，這樣我們才能理解當(dāng)它們出錯(cuò)時(shí)會(huì)發(fā)生什么，”加州大學(xué)圣克魯茲分校，細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)副教授Bhalla說。“我們知道染色體數(shù)量不正確會(huì)導(dǎo)致遺傳性疾病和出生缺陷。了解這種情況會(huì)如何發(fā)生，從而幫助我們預(yù)防或識(shí)別診斷標(biāo)記，從而使人們能夠更好地做出有關(guān)生殖健康的決定。”

當(dāng)你考慮染色體在減數(shù)分裂期間必須做的一切時(shí)，這個(gè)過程產(chǎn)生一個(gè)可行的卵子或精子是一個(gè)奇跡。關(guān)鍵步驟稱為重組，涉及染色體交換DNA的整個(gè)部分。這就像洗牌一副牌，這就是兄弟姐妹盡管擁有同樣的父母而可以如此不同的原因。

“重組涉及故意削減DNA，因此它充滿了興趣，并且細(xì)胞如何進(jìn)化以解決這個(gè)問題非常有趣。你有一個(gè)容易出錯(cuò)的機(jī)制，而且這是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來限制錯(cuò)誤，”Bhalla說。 。

為什么減數(shù)分裂首先是一個(gè)精心設(shè)計(jì)，容易出錯(cuò)的過程?與生物學(xué)中的大多數(shù)事物一樣，答案在于進(jìn)化和自然選擇。有性繁殖，通過在減數(shù)分裂期間通過重組改變甲板，產(chǎn)生后代的遺傳多樣性，后代是自然選擇的原料。

“減數(shù)分裂會(huì)產(chǎn)生新的遺傳組合，自然選擇會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響。我們?cè)谶M(jìn)化中看到的一切都是減數(shù)分裂發(fā)生的結(jié)果，”Bhalla說。

她研究的染色體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及一系列檢查點(diǎn)，以確保在細(xì)胞進(jìn)入下一步之前，減數(shù)分裂中的每個(gè)步驟都已正確完成。檢查點(diǎn)是分子機(jī)制，可以停止細(xì)胞周期，直到下一步的一切都進(jìn)行，并且如果發(fā)生錯(cuò)誤，它們甚至可以使細(xì)胞自毀。

在減數(shù)分裂中，需要監(jiān)控很多步驟。體內(nèi)的大多數(shù)細(xì)胞都有兩組染色體，一組來自父親，一組來自母親。卵子和精子細(xì)胞只有一組染色體，這樣當(dāng)卵子和精子合并時(shí)，受精會(huì)產(chǎn)生一組帶有兩組染色體的胚胎。因此，減數(shù)分裂的關(guān)鍵功能是將這種減少完成到一組染色體。它從同源染色體的配對(duì)開始：來自媽媽對(duì)的染色體19和來自爸爸的染色體19，依此類推。

當(dāng)同源染色體配對(duì)時(shí)，它們會(huì)組裝一種稱為聯(lián)會(huì)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，將它們固定在一起。此時(shí)，當(dāng)兩條同源染色體交換DNA片段時(shí)，重組會(huì)改變遺傳層。然后，聯(lián)會(huì)復(fù)合體分解，同源染色體分離成兩個(gè)子細(xì)胞。這只是第一部分。

“有一個(gè)檢查點(diǎn)確保染色體正確突觸，一個(gè)監(jiān)測(cè)重組的檢查點(diǎn)，另一個(gè)確保染色體附著在將它們分開的設(shè)備上，等等，”Bhalla說。

減數(shù)分裂的第二部分涉及重復(fù)染色體的分離。在減數(shù)分裂或有絲分裂開始之前，所有染色體都會(huì)復(fù)制自己，副本(稱為姐妹染色單體)保持在一起。在有絲分裂期和減數(shù)分裂的第二階段，姐妹染色單體分離成分開的子細(xì)胞。

在10月4日發(fā)表在Current Biology上的一項(xiàng)新研究中，Bhalla實(shí)驗(yàn)室研究了一種名為shugoshin的檢查點(diǎn)分子，這意味著日語(yǔ)中的“守護(hù)精神”。Shugoshin最初被確定為減數(shù)分裂中的重要因素，用于調(diào)節(jié)姐妹染色單體在稱為著絲粒的結(jié)構(gòu)中如何結(jié)合在一起。Bhalla的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上在減數(shù)分裂中扮演了更廣泛的角色，建立了正確的染色體結(jié)構(gòu)并確保了重組的正確進(jìn)展。

“這些蛋白質(zhì)是多任務(wù)的，細(xì)胞利用它們進(jìn)行多種功能，使染色體在不同的環(huán)境中做出截然不同的事情，”Bhalla說。

染色體在其DNA中保留了生物體的遺傳藍(lán)圖，但DNA只是高度復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)的一部分，涉及許多不同功能的不同蛋白質(zhì)，從包裝DNA到監(jiān)測(cè)染色體本身的行為。

“染色體參與監(jiān)測(cè)他們自己的行為。有一種美，因?yàn)樗麄兪腔钴S的參與者，你會(huì)期望他們被動(dòng)，”Bhalla說。“當(dāng)你看到細(xì)胞分裂，染色體排列和隔離時(shí)，它們似乎是被動(dòng)的，但我們知道它們是積極的參與者，它們的結(jié)構(gòu)有助于此。”