Белки семейства MutL, MutS и Cdk в развитии ооцитов. Мутации
Процессы обнаружения и исправления ошибок ДНКбелками семейств MutL и MutS сохранились неизменными в ряду организмов от дрожжевых грибов до человека. Считают, что гетеродимерные протеиновые комплексы MutL и MutS активируют репарацию молекул ДНК. Хотя гомологи MutL и MutS у позвоночных (Mlh и Mls соответственно) известны в основном как факторы, поддерживающие стабильность генома и защиту организма от образования опухолей, исследования по направленному мутагенезу генов у мышей показали, что Mlhl, Mlh3, Msh4 и Msh5 необходимы для осуществления процессов мейоза у особей как мужского, так и женского пола.
Гомозиготные по мутациям Mlhl и Mlh3 самки характеризовались одним и тем же фенотипом бесплодия, при котором яичники новорожденной самки выглядели вполне нормальными, с достаточным количеством фолликулов на разных стадиях развития. Тем не менее было существенно снижено количество ооцитов, способных завершить первое и второе деления мейоза и начать развитие двухклеточных эмбрионов. И Mlhl, и Mlh3 совместно расположены с хромосомами в пахитене и крайне важны для мейотической рекомбинации, что подтверждается снижением количества хиазм, образуемых в ооцитах этих мутированных мышей.
Несмотря на то что ооциты доходят до диплотены, хромосомы не конъюгируются и не могут стабильно присоединиться к биполярному веретену деления, что приводит к нарушениям формирования веретена, аномалиям или незавершению первого деления мейоза и невозможности оплодотворения. Более того, в ооцитах на стадии пахитены и у мышей, и у человека MLH1 и MLH3 служат молекулярными маркерами узелков рекомбинации, появляющихся на стадии диплотены и необходимых для кроссинговера.
Аналогично Msh4 и Msh5 также выполняют важнейшие функции в стадии пахитены профазы I. При этом изменения фенотипа при их мутациях даже более выраженные: особи женского пола с нокаутированными генами Msh4 и Msh5 характеризуются существенным снижением числа ооцитов ко 2-4-му дням после рождения. Их ооциты входят в лептотену и формируют синаптонемные комплексы, но неспособны осуществить полноценную конъюгацию в зиготене и войти в стадию диплотены. Такие ооциты подвергаются апоптозу, что приводит к атрезии фолликулов, снижению овариального резерва и преждевременной яичниковой недостаточности (ПЯН).
И Msh4, и Msh5 сопряжены с хромосомами, способны образовывать гетеродимеры in vitro и осуществляют свои функции в одно и то же время в процессе конъюгации хромосом. Правомочность экстраполяции результатов этих исследований на человеческую модель подтверждается тем фактом, что MSH4 и MSH5 экспрессируются яичками и яичниками человека.
До сих пор неизвестны как механизмы действия белков Mlh и Msh, так и механизмы их связывания с хромосомами. Считается, что картина апоптоза ооцитов характеризуется патологией конъюгации хромосом или образования синапсов. Однако недавно проведенные исследования, в результате которых производилось двойное нокуатирование генов Spo11/Msh или Spo11/ Mlh, показали, что апоптоз ооцитов является следствием невозможности репарации двухцепочечных разрывов ДНК.
Spoil инициирует разрывы обеих цепей, необходимые для рекомбинации. В отсутствие мутации Spoil патологический фенотип при мутации Mshl- и Mlh5 был менее выражен и напоминал таковой при мутации Spoil. Аналогично Dmcl еще один белок, вовлеченный в процессы рекомбинации, и Atm-протеин (от англ. ataxia-teleangiectasia mutated — мутирующий при атаксии-телеангиэктазии) из группы белков детекции повреждений ДНК также необходимы для репарации разрывов двойной цепи; при их недостаточности сохраняющиеся разрывы приводят к апоптотзу ооцита.
Функции того или иного протеина можно лучше изучить, зная, с какими другими белками он связан, и уточнить природу их взаимодействия. Колокализация протеинов Mlhl, Scp3 и циклинзависимой киназы-2 (Cdk2) предполагает их взаимодействие или общность функций, особенно если учесть тот факт, что Scp3 и Cdk2 также необходимы для мейоза. Scp3 — ключевая белковая субъединица синаптонемного комплекса, удерживающая гомологичные хромосомы в паре и облегчающие конъюгациию.
Самки мышей, у которых отсутствует Scp3, субфертильны, так как многие их ооциты содержат унивалентые (неспаренные) хромосомы, у них отмечают патологию расхождения хромосом, и они дают лишь небольшой процент жизнеспособного потомства. Плодовитость таких мышей с возрастом снижается, что обусловливает интерес к этой модели как к инструменту изучения зависимой от возраста субфертильности и анеуплоидии, представляющих собой серьезную проблему репродукции человека.
Семейство белков Cdk. Cdk2 принадлежит к семейству белков Cdk, считающихся главными регуляторами клеточного цикла. Однако неожиданно оказалось, что особи с нокаутированным геном по Cdk2 жизнеспособны, т.е. Cdk2 не является необходимой для митоза в процессе развития живого организма, но крайне необходима в профазе I мейоза в ооцитах. У таких мышей в первые же дни после рождения отмечают утрату ооцитов и ПЯН. При различных молекулярных дефектах у мышей с нокаутированными генами Dmcl, Msh4, Msh5 и Atm обнаруживают сходный фенотип, вероятно, вследствие того, что их ооциты не могут войти в пахитену или завершить ее и следуют общим механизмам апоптоза.
В противоположность этому к 5-му дню после рождения все ооциты немутантных мышей переходят в стадию диплотены, где и остаются заблокированными до периовуляторного периода у половозрелых особей, после чего возобновляют и завершают мейотическое деление.
