Tajemnicze przemiany wrzeciona podziałowego: klucz do rozwoju zarodka

Jeden z najbardziej fascynujących momentów w rozwoju każdego organizmu rozmnażającego się płciowo następuje tuż po zapłodnieniu oocytu, czyli komórki jajowej. W tej krytycznej chwili oocyt musi przejść od podziałów mejotycznych charakterystycznych dla gamet obu płci do mitotycznych – typowych dla komórek zarodka. Co ciekawe, mimo że komórka jajowa praktycznie nie zmienia swojego rozmiaru ani kształtu, to już jako zygota, jej wewnętrzny aparat podziałowy – wrzeciono podziałowe – przechodzi dramatyczną metamorfozę.

Wrzeciono mejotyczne w komórce jajowej jest małe, ma charakterystyczny beczułkowaty kształt i jest położone tuż pod powierzchnią oocytu. Nie posiada tak zwanych mikrotubul astralnych na swoich biegunach, które obecne są we wrzecionie mitotycznym. Po zapłodnieniu sytuacja zmienia się jednak diametralnie – w zygocie powstaje o wiele większe, centralnie ułożone wrzeciono mitotyczne, które obfituje w mikrotubule astralne rozchodzące się promieniście od jego biegunów.

Te zmiany nie są przypadkowe. Różne typy wrzeciona służą różnym celom: w oocycie przed zapłodnieniem wrzeciono mejotyczne jest zoptymalizowane pod kątem redukcji liczby chromosomów – połowa z nich musi być usunięta w tzw. ciałku kierunkowym. Wrzeciono mitotyczne zygoty, a następnie rozwijającego się zarodka, musi skutecznie dzielić materiał genetyczny między kolejne komórki potomne.

Prof. Rebecca Heald i jej zespół z University of California w Berkeley, postanowili rozwikłać mechanizm tej fascynującej przemiany. Wykorzystując jako modele badawcze oocyty zarodki żachw z gatunku Ciona oraz bezkomórkowe ekstrakty z oocytów i zarodków żaby Xenopus laevis, przeprowadzili systematyczne testowanie różnych inhibitorów chemicznych, aby zidentyfikować kluczowe białka odpowiedzialne za kontrolę morfologii wrzeciona.

Przełomowe odkrycie dotyczyło białka o nazwie kinaza kazeinowa 2 (Casein kinase 2, CK2). Gdy naukowcy zablokowali jego aktywność, małe mejotyczne wrzeciono zmieniło się w duże, mitotyczne z obfitymi mikrotubulami astralnymi. Było to jak znalezienie głównego przełącznika kontrolującego typ wrzeciona podziałowego.

Dalsze badania ujawniły, że CK2 działa poprzez regulację tzw. szlaku Ran-GTP. Ran to małe białko, które w formie związanej z GTP (Ran-GTP) pełni kluczową funkcję w tworzeniu każdego wrzeciona podziałowego. CK2 okazała się kluczowym regulatorem morfologii wrzeciona, działającym właśnie poprzez szlak Ran-GTP.

Mechanizm ten można porównać do systemu sterowania w samochodzie: CK2 jest jak komputer pokładowy, który analizuje sygnały z komórki i decyduje, czy dla tworzącego się wrzeciona podziałowego aktywować tryb mejotyczny, czy mitotyczny.

To odkrycie ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia, jak kontrolowany jest jeden z najważniejszych momentów w rozwoju organizmów. Przejście od mejozy do mitozy to nie tylko zmiana sposobu podziału komórki – to moment, w którym rozpoczyna się prawdziwy rozwój zarodka. Cykl mejotyczny, charakteryzujący się brakiem syntezy DNA i następującymi po sobie dwoma podziałami oocytu, musi być zastąpiony naprzemiennym cyklem podwajania ilości DNA i podziałów komórkowych. Powtarzanie samych podziałów bez podwojenia ilości DNA – tak jak dzieje się to w trakcie mejozy – byłoby dla rozwoju zarodka katastrofalne.

Badania te mogą również mieć praktyczne zastosowania w medycynie reprodukcyjnej i onkologii, gdyż nieprawidłowości w funkcjonowaniu wrzeciona podziałowego są często związane z niepłodnością oraz z procesami nowotworzenia.

Chociaż mechanizm działania CK2 został już częściowo wyjaśniony, naukowcy planują dalsze badania nad tym, jak dokładnie zmienia się tzw. gradient Ran-GTP wokół wrzeciona podziałowego podczas przejścia z cyklu mejotycznego do mitotycznego. Zrozumienie tych mechanizmów molekularnych może pomóc w pełnym wyjaśnieniu tego fascynującego procesu, który jest fundamentem życia na naszej planecie.