Ciascuna delle tue cellule contiene due copie di 23 cromosomi, uno ereditato da tuo padre e uno da tua madre. Teoricamente, quando crei un gamete, uno spermatozoo o un uovo, ogni copia ha una probabilità del 50-50 di essere trasmessa. Ma la realtà non è così netta.

Gli scienziati hanno osservato che i cromosomi possono "imbrogliare, "prevenendo la possibilità che lo trasformino in una cellula sessuale. Ora, un team dell'Università della Pennsylvania ha mostrato come questo pregiudizio si presenti nelle cellule femminili. Con un'attenta osservazione ed esperimenti con ovociti di topo, i precursori delle uova, hanno rilevato segnali molecolari che creano un'asimmetria nel macchinario che guida la meiosi, il processo di divisione cellulare che dà origine ai gameti. Alcuni cromosomi, i ricercatori hanno scoperto, sfruttare questa asimmetria per spostarsi sul lato "destro" di una cellula durante la divisione e finire nell'uovo.

Facendo luce su un aspetto comune ma poco compreso della meiosi, i risultati possono portare a una migliore comprensione generale della meiosi, compreso come e perché possono sorgere errori. Errori nel modo in cui i cromosomi si segregano nei gameti durante la meiosi sono la causa principale di alcuni aborti e condizioni come la sindrome di Down.

"Se comprendiamo come questi elementi egoisti stanno sfruttando la meccanica della meiosi, allora capiremo più a fondo come funziona quel processo in primo luogo, " ha detto Michael Lampson, professore associato di biologia alla Penn's School of Arts and Sciences e autore senior dello studio.

Lampson ha collaborato con i membri del laboratorio Takashi Akera, Lukáš Chmátal, Emily Trimm e Karren Yang, così come Richard M. Schultz, il Charles e William L. Day Distinguished Professor di Biologia; David Chenoweth, professore associato presso il Dipartimento di Chimica; Chanat Aonbangkhen, membro del laboratorio Chenoweth; e Carsten Janke dell'Institut Curie francese. Il loro studio appare sulla rivista Scienza .

Per decenni, gli scienziati erano consapevoli che gli elementi genetici sembravano entrare in competizione durante la meiosi, poiché alcuni venivano trasmessi ai gameti a una velocità costantemente superiore a quella che il caso avrebbe dettato. Il termine per questa trasmissione distorta è "guida meiotica".

"Di solito pensiamo ai geni egoisti a livello di selezione naturale e selezione del più adatto, " Ha detto Lampson. "Ciò potrebbe significare che un gene che ti fa vivere più a lungo o riprodurre di più o uccidere i tuoi nemici ha maggiori probabilità di essere trasmesso. Ma possiamo anche pensare all'egoismo a livello del gene stesso. In quel contesto, i geni sono in competizione tra loro per entrare nel gamete. E mentre avevamo le prove che ciò potesse accadere, non abbiamo davvero capito come sia successo".

Affinché si verifichi una trasmissione distorta, il team Penn ha ragionato, qualcosa nel meccanismo fisico della divisione cellulare deve consentirlo. Nel caso delle femmine, lo stadio finale della meiosi porta alla creazione di una cellula che diventa l'uovo vitale e un'altra cellula chiamata corpo polare, che è tipicamente degradato.

I ricercatori hanno scelto di concentrarsi sul meccanismo di divisione cellulare, studiando il fuso meiotico, la struttura composta da microtubuli che si attacca ai cromosomi, tirandoli ai lati opposti di una cellula prima che si divida.

Osservando i microtubuli negli ovociti di topo, hanno trovato una distribuzione sbilenca di una modifica chiamata tirosinazione:il lato uovo della cellula aveva meno di questa modifica rispetto all'altro lato, più vicino a quella che viene chiamata la corteccia. Questa asimmetria era presente solo nella fase della meiosi quando il fuso si sposta verso la corteccia dal centro della cellula.

"Ci ha detto che qualunque segnale stia determinando la modificazione della tirosina proviene dalla corteccia, " disse Lampson. "La prossima domanda è:Qual è questo segnale?"

I ricercatori avevano già alcune informazioni sulle molecole che aumentano di espressione sul lato corticale della cellula, incluso uno chiamato CDC42. Per verificare se questa molecola ha contribuito alla tirosinazione asimmetrica, i ricercatori hanno utilizzato un sistema sperimentale che Lampson e Chenoweth avevano ideato in precedenza che utilizza un test sensibile alla luce per arricchire selettivamente CDC42 su un lato del palo. I loro risultati hanno suggerito che CDC42 era responsabile, almeno in parte, per indurre l'asimmetria della tirosinazione e quindi l'asimmetria del fuso nella cellula divisoria.

Avendo stabilito che l'asimmetria esiste e come si manifesta, i ricercatori della Penn hanno cercato di dimostrare che questa asimmetria consente ai cromosomi di imbrogliare. Lo hanno fatto concentrandosi sui centromeri, la regione di un cromosoma che si attacca al fuso. Incrociando due ceppi di topi, sono finiti con animali che possedevano due tipi di centromeri in ciascuna delle loro cellule, uno più grande e uno più piccolo.

Da precedenti lavori del gruppo, sapevano che i centromeri più grandi erano noti per trasmettere preferenzialmente ai gameti. Nel lavoro attuale, hanno confermato che il più grande, era infatti più probabile che i centromeri "più forti" si dirigessero verso il polo della cellula che sarebbe diventata l'uovo.

Quando i ricercatori hanno abolito l'asimmetria del fuso mutando CDC42 e altri bersagli, la distorsione nell'orientamento del centromero è scomparsa.

"Questo collega l'asimmetria del fuso all'idea che i cromosomi o i centromeri in realtà imbrogliano, "Ha detto Lampson.

Ma questo risultato ha anche sollevato la questione di quando i centromeri diventassero distorti nel loro orientamento, come il fuso inizia nel mezzo della cellula, a quel punto i centromeri sono già attaccati in modo imparziale. L'asimmetria e l'attaccamento del centromero distorto si verificano più tardi.

Inserisci il centromero capovolto. Utilizzando l'imaging dal vivo di ovociti di topo, i ricercatori hanno scoperto che i centromeri "più forti" avevano maggiori probabilità di staccarsi dal fuso rispetto ai centromeri più deboli ed erano particolarmente propensi a staccarsi se fossero orientati verso il lato corticale della cellula, presumibilmente per capovolgersi e riorientarsi verso il polo dell'uovo della cellula. I centromeri più deboli si staccavano solo raramente e non mostravano alcuna preferenza per un lato o l'altro della cellula.

"Se sei un centromero egoista e stai affrontando la strada sbagliata, devi lasciarti andare così puoi guardare dall'altra parte, " ha detto Lampson. "Ecco come si 'vincere.'"

Nel lavoro futuro, Lampson e il suo team sperano di esplorare ulteriormente quali caratteristiche dei centromeri li rendono forti o deboli.

"Questo lavoro ci ha fornito alcune buone informazioni sulla trasmissione distorta dei centromeri, ma solleva anche un sacco di altre domande, " disse Lampson. "Perché i nostri centromeri hanno l'aspetto che hanno, e come si evolvono per vincere queste competizioni? Queste sono domande biologiche fondamentali di cui ancora non sappiamo molto".