Яйцеклетки десятилетиями сохраняют хромосомы. Учёные нашли белок-защитник

Белок OMC1 помогает предотвращать хромосомные ошибки, а редкая мутация родственного гена у женщин связана с ранней менопаузой

Почему яйцеклетки должны сохранять хромосомы десятилетиями

Одна из самых необычных особенностей женской репродуктивной системы заключается в том, что яйцеклетки начинают формироваться ещё до рождения.

Затем их деление приостанавливается на многие годы. У человека эта остановка может продолжаться несколько десятилетий.

Всё это время внутри яйцеклетки должны сохраняться молекулярные соединения, необходимые для правильного распределения хромосом при возобновлении деления.

Этот процесс называется мейозом. Он включает два последовательных этапа распределения хромосом, в результате которых их количество уменьшается вдвое.

Для нормального мейоза хромосомы должны оставаться соединёнными до строго определённого момента.

Важнейшую роль здесь играет когезин — белковый комплекс, который удерживает вместе сестринские хроматиды, две копии одной хромосомы, образовавшиеся после удвоения ДНК.

В яйцеклетках особенно важен когезин, содержащий белок REC8.

Его необычная особенность заключается в том, что он размещается на хромосомах ещё во внутриутробном периоде, а во время последующей длительной остановки мейоза практически не восполняется.

Получается, что яйцеклетка должна годами и десятилетиями сохранять первоначально сформированные молекулярные соединения.

С возрастом сцепление хромосом постепенно ослабевает. Это увеличивает вероятность ошибок при их распределении, включая анеуплоидию — неправильное количество хромосом в клетке.

Такие нарушения вносят существенный вклад в возрастное снижение фертильности, риск выкидышей и вероятность некоторых хромосомных заболеваний.

Но оставался фундаментальный вопрос: каким образом яйцеклетке вообще удаётся так долго сохранять функциональность когезина?

OMC1 оказался частью системы защиты хромосом

Ответ искали исследователи Университета Тиба, института RIKEN и Университета Кумамото.

Учёные сравнили активность тысяч генов в развивающихся женских и мужских половых клетках. Особое внимание они уделили генам, которые включаются в яйцеклетках перед длительной остановкой мейоза.

Среди них выделился ранее малоизученный ген Omc1, также известный как Ccdc201. Кодируемый им белок исследователи назвали OMC1 — Oocyte Meiotic Chromosome Protein 1.

С помощью микроскопии удалось установить, что OMC1 располагается вдоль хромосом в непосредственной близости от комплексов когезина REC8.

Причём белок присутствовал как на ранних этапах формирования яйцеклеток, так и после длительного периода покоя, когда мейоз возобновлялся.

Это позволило предположить, что OMC1 помогает удерживать REC8 на хромосомах и защищает их сцепление от преждевременного ослабления.

Чтобы проверить гипотезу, учёные создали генетически модифицированных мышей, у которых Omc1 был полностью выключен.

Молодые яйцеклетки без OMC1 приобрели признаки старения

Первоначально отсутствие белка не вызывало выраженных нарушений формирования яйцеклеток.

У восьминедельных животных количество первичных фолликулов — структур яичника, содержащих незрелые яйцеклетки, — оставалось сопоставимым с контрольной группой.

Однако на молекулярном уровне уже наблюдались существенные изменения.

Количество REC8, удерживаемого непосредственно на хромосомах, уменьшалось быстрее. При этом общее содержание REC8 в яйцеклетках существенно не снижалось.

Это важное различие.

Проблема заключалась не просто в исчезновении белка, а в нарушении его способности сохранять необходимое положение на хромосомах.

Последствия проявились при созревании яйцеклеток.

Примерно у 78% исследованных клеток с выключенным Omc1 наблюдалось преждевременное разделение сестринских хроматид на втором этапе мейоза.

Подобное нарушение характерно для естественного старения яйцеклеток, но в данном случае возникало у молодых животных.

Результат оказался принципиально важным: потеря одного белка способна воспроизвести существенную часть возрастных нарушений хромосомной организации.

Запас яйцеклеток сохранялся, но их качество ухудшалось

Особенно показательными оказались эксперименты с оплодотворением.

Исследователи сравнили развитие эмбрионов, полученных из нормальных яйцеклеток и клеток с выключенным Omc1.

В контрольной группе до стадии бластоцисты развились 33 из 41 эмбриона — около 80%.

В группе с выключенным геном этой стадии достигли только 14 из 40 эмбрионов — 35%.

Бластоциста — ранняя стадия развития эмбриона, предшествующая имплантации в стенку матки.

Разница показывает, что отсутствие OMC1 сопровождалось существенным снижением способности эмбрионов развиваться в лабораторных условиях.

При дальнейшем наблюдении у животных без OMC1 постепенно уменьшалось количество рождающихся детёнышей.

Таким образом, исследование позволило разделить две характеристики репродуктивной системы: количество яйцеклеток и сохранность их хромосомной организации.

В эксперименте запас фолликулов у молодых животных ещё не был существенно нарушен, тогда как функциональные дефекты яйцеклеток уже проявлялись.

Это помогает понять, почему оценка репродуктивного потенциала не может ограничиваться только количеством оставшихся яйцеклеток.

Возвращение OMC1 частично исправило нарушения

Следующий эксперимент представлял особый интерес для будущих медицинских исследований.

Учёные ввели в яйцеклетки с выключенным Omc1 молекулы матричной РНК, содержащие инструкцию для синтеза нормального белка.

После вмешательства количество REC8, сохранявшегося на хромосомах, увеличилось, а частота преждевременного разделения сестринских хроматид снизилась.

Однако восстановление оказалось неполным.

Даже после повторного появления OMC1 некоторые показатели сцепления хромосом не достигали нормальных значений.

Кроме того, избыточное количество белка задерживало переход яйцеклеток к следующему этапу деления.

Эти результаты показывают, что OMC1 важен не только для длительного сохранения хромосомных связей, но и для поддержания их устойчивости непосредственно во время созревания яйцеклетки.

При этом повторное введение OMC1 не смогло полностью восстановить уже повреждённую систему сцепления.

Следовательно, исследователи продемонстрировали частичную коррекцию конкретного молекулярного дефекта, а не универсальный способ обращения репродуктивного старения вспять.

Что действительно известно о роли CCDC201 у человека

У исследования есть важная связь с человеческой генетикой.

В августе 2024 года в журнале Nature Genetics были опубликованы результаты анализа данных 174 329 женщин из Исландии, Дании, Великобритании и Норвегии.

Исследователи обнаружили связь между ранним наступлением менопаузы и редким вариантом гена CCDC201 — предполагаемого человеческого аналога Omc1.

Речь идёт о мутации p.Arg162Ter, которая приводит к преждевременному прекращению синтеза полноценного белка.

Особенно выраженный эффект наблюдался у женщин, унаследовавших две копии изменённого гена. Таких участниц с известным возрастом наступления менопаузы оказалось 27.

В среднем менопауза у них наступала на девять лет раньше, чем у женщин без такого сочетания генетических вариантов.

У девяти из 27 женщин менопауза наступила до 40 лет. С учётом возможных неточностей в сообщаемом возрасте авторы оценили вероятность преждевременной недостаточности яичников примерно в 46%.

При наличии только одной изменённой копии гена статистически значимого влияния на возраст менопаузы обнаружено не было.

По оценкам исследователей, такой генотип встречается приблизительно у одной из 10 000 женщин североевропейского происхождения.

Таким образом, CCDC201 уже имеет установленную генетическую связь с репродуктивной функцией человека, хотя речь идёт о редком варианте, а не об универсальной причине ранней менопаузы.

Как новое открытие помогает объяснить раннюю менопаузу

Исследование в Nature Aging позволило продвинуться от генетической связи к возможному молекулярному механизму.

Учёные воспроизвели в OMC1 изменение, соответствующее человеческой мутации p.Arg162Ter.

Изменённый белок утратил способность нормально располагаться на хромосомах и не смог исправить дефекты их сцепления.

Это усиливает предположение, что связь CCDC201 с ранней менопаузой может объясняться нарушением защиты хромосом.

Однако здесь проходит важная граница доказательств.

Генетическая связь с ранней менопаузой установлена у женщин, но функциональный механизм изучен преимущественно на мышиной модели. Непосредственно в человеческих яйцеклетках исследователи пока не показали, что мутация CCDC201 приводит к потере REC8 и преждевременному разделению хромосом.

Не установлено также, уменьшается ли активность OMC1 при обычном репродуктивном старении человека и какую долю возрастных хромосомных ошибок можно объяснить изменениями этого белка.

Поэтому открытие предлагает биологически обоснованное объяснение действия редкой мутации, но не доказывает, что именно OMC1 определяет скорость старения яйцеклеток у большинства женщин.

Что открытие может означать для ЭКО и репродуктивной медицины

Потенциально OMC1 представляет интерес для исследований качества яйцеклеток и причин индивидуальных различий в продолжительности репродуктивной жизни.

В перспективе изучение этого механизма может помочь разработать дополнительные способы оценки хромосомной устойчивости яйцеклеток и определить новые направления профилактики некоторых нарушений их созревания.

Но до клинического применения пока далеко:

• Неизвестно, позволит ли измерение OMC1 достоверно предсказывать качество человеческих яйцеклеток или возраст наступления менопаузы.
• Нет и доказательств того, что введение белка улучшает развитие эмбрионов, повышает успешность ЭКО или увеличивает вероятность рождения здорового ребёнка.
• Репродуктивное старение затрагивает множество клеточных механизмов. Даже успешное воздействие на систему OMC1-REC8 не обязательно устранит другие возрастные изменения.
• Эксперимент показал, что избыток OMC1 способен нарушать нормальное течение мейоза. Любое потенциальное вмешательство потребовало бы точного регулирования количества белка и времени его действия.

Следующий этап исследований — изучение OMC1 непосредственно в человеческих яйцеклетках, определение его роли при естественном старении и выяснение того, какие нарушения хромосомного сцепления потенциально обратимы.

При этом установленная связь редкого варианта CCDC201 с преждевременной недостаточностью яичников уже представляет интерес для генетических исследований отдельных форм репродуктивных нарушений.