Nieredukowalna złożoność zagnieżdżona w nieredukowalnej złożoności. Przypadek kondensacji chromosomówCzas czytania: 15 min

We wcześniejszych artykułach opisywałem pewien fenomen molekularny – mitotyczny podział komórkowy – starając się uzmysłowić czytelnikowi, jak wielka inżynieryjna wydajność – i w istocie genialność – kryje się za tym niesamowitym procesem. Tutaj przyjrzę się bliżej procesowi kondensacji chromosomów, który zachodzi w trakcie profazy. Upakowanie chromatyny tak, aby podczas mitozy powstały rozpoznawalne struktury chromosomów, nie miałoby żadnej wartości, zanim wyewoluowałaby maszyneria ułatwiająca segregację mitotyczną. Upakowanie chromatyny stanowi jednak istotny czynnik podziału mitotycznego, a to oznacza, że proces kondensacji chromosomów jest częścią układu nieredukowalnie złożonego. Jak się przekonamy, proces kondensacji chromosomów również jest nieredukowalnie złożony. Stanowi więc przykład nieredukowalnej złożoności, która jest zagnieżdżona w większym układzie nieredukowalnie złożonym. W związku z tym trudno byłoby wykazać, jak ten proces mógł powstać w wyniku działania jakiejś ślepej przyczyny, nieznającej z góry celu, który należy osiągnąć. Najlepszym wyjaśnieniem tego aspektu podziału komórkowego jest teleologia, czyli świadomy projekt.

Co – ogólnie rzecz biorąc – dzieje się w trakcie profazy?

W stadium profazy powielone chromosomy (każdy składający się z dwóch chromatyd siostrzanych) ulegają skondensowaniu – wówczas stają się one widoczne pod mikroskopem. Proces kondensacji blisko dziesięciokrotnie redukuje długość typowego chromosomu w stadium interfazy, co prowadzi do zatrzymania procesu ekspresji genów. Dwie chromatydy siostrzane każdego chromosomu mitotycznego ulegają rozdzieleniu, po czym łączą się ze sobą w centromerze. Umożliwia to późniejsze rozdzielenie chromatyd siostrzanych w trakcie ich segregacji między dwiema komórkami potomnymi. Upakowanie chroni ponadto delikatne cząsteczki DNA przed uszkodzeniem w czasie trwania tego procesu. Każda para chromatyd siostrzanych jest genetycznie identyczna. Poza obrębem jądra komórkowego wrzeciono podziałowe (składające się z mikrotubul) zaczyna tworzyć się między dwoma centromerami, które uległy już duplikacji w fazach S i G₂ cyklu komórkowego. Wrzeciono podziałowe odpowiada później (w stadium anafazy) za umożliwienie rozdzielenia dwóch chromatyd siostrzanych.

Fosforylacja histonu H3

Wykazano, że fosforylacja histonu H3 przez kinazę Aurora B odgrywa ważną rolę w kondensacji chromosomów mitotycznych – zwłaszcza w resztach Ser10 i Ser28 (w skrócie H3S10 i H3S28)¹. Fosforylacja zakłóca elektrostatyczne oddziaływania między DNA a histonami, rozluźniając strukturę chromatyny i sprawiając, że jest ona łatwiej dostępna dla kompleksów kondensynowych, które mogą się z nią związać. Fosforylacja H3S10 i H3S28 umożliwia także wiązanie topoizomerazy IIα i kompleksu CPC (chromosomal passenger complex). Te fosforylacje histonu H3 są niezbędne do kondensacji i rozdzielenia chromosomów. Bez nich doszłoby do nieprawidłowej kondensacji chromosomów i w rezultacie do błędnej segregacji materiału genetycznego. Deregulację tych epigenetycznych znaczników histonowych powiązano z nowotworami². Co więcej, kiedy ilość kinazy Aurora B ulega redukcji wskutek działania interferencji RNA, umiejscowienie kompleksu CPC względem centromerów jest niewłaściwe, co zaburza postęp procesu mitozy³.

Kondensacja chromatyny

Na obrazach uzyskanych metodą mikrografii elektronowej widać, że każda chromatyda tworzy pętle chromatyny, które wysuwają się z centralnego rusztowania. Zadaniem kondensyn jest zwinięcie dwóch cząsteczek DNA przy wykorzystaniu energii czerpanej z hydrolizy ATP⁴. W rezultacie powstają dwie chromatydy siostrzane powiązane z chromosomem mitotycznym.

Kondensyny zbudowane są z pięciu elementów składowych⁵. Tymi elementami są między innymi białka SMC (structural maintenance of chromosomes) – SMC2 i SMC4 (wykazują one aktywność ATPazy). Białka SMC mają domeny coiled-coil (czyli długie, elastyczne ramiona, które zawijają się na siebie, tworząc strukturę w kształcie litery V); region zawiasowy (ułatwiający dimeryzację dwóch białek SMC) oraz domeny główne (mające miejsca wiązania ATP i ATPazy, czyli cząsteczek stanowiących źródło energii dla procesu kondensacji chromosomów). Są też trzy podjednostki niebędące białkami SMC, łączące się ze specyficznymi regionami DNA i wspomagające regulację aktywności kondensyn.

Kompleksy kondensynowe są kierowane przez podjednostki niebędące białkami SMC i przedostają się do chromatyny stopniowo, wskutek czego tworzą się pętle DNA (energii dla tego procesu dostarczają białka wykazujące aktywność ATPazy). Pętle DNA ulegają następnie skondensowaniu w chromosomy mitotyczne. Kondensyny są niezbędne do zajścia podziału komórkowego. Następstwem ich braku byłaby dezorganizacja chromosomów, jak również ogromna trudność prawidłowego rozdzielenia ich w trakcie mitozy. Potwierdzono to dzięki eksperymentom polegającym na wyciszaniu kondensyny. W jednym z artykułów doniesiono na przykład, że „wyciszenie CAP-D3 (kondensyny II) skutkuje utworzeniem się licznych mostków anafazowych zawierających chromatynę. Mostki anafazowe tworzone wskutek wyciszenia CAP-H (kondensyny I) wykazują subtelniejszy defekt: chromatydy posiadają włókna chromatynowe, które – jak się uważa – przyczyniają się do nieprawidłowości cytokinezy i śmierci komórki”⁶. Autorzy dochodzą do wniosku, że „kondensyna II sama jest w stanie wspomagać utrzymywanie sztywności chromosomu mitotycznego, podczas gdy wszystko wskazuje na to, że kondensyna I nie jest do tego wystarczająca”⁷. Chociaż obecność obu białek – kondensyn I i II – najwyraźniej nie jest konieczna, to niewątpliwie przynajmniej kondensyna II jest niezbędna do prawidłowej kondensacji chromosomów mitotycznych.

Kompleks CPC

Kompleks CPC (chromosomal passenger complex) składa się z czterech białek, które są niezbędne do zapewnienia prawidłowej kondensacji chromosomów oraz ich przyrównania i rozdzielenia. Czterema głównymi składnikami tego kompleksu są kinaza Aurora B, surwiwina, borealina i INCENP⁸.

Jak już wspomniałem, kinaza Aurora B odgrywa kluczową rolę w fosforylacji histonu H3⁹. Ta kinaza fosforyluje również heterochromatynowe białko 1 (HP1), czyli białko, które normalnie utrzymuje chromatynę w jej rozluźnionym, interfazowym stanie. Fosforylacja tego białka ma charakter inhibicyjny i sprzyja kondensacji chromosomów¹⁰. Kinaza Aurora B odpowiada ponadto za fosforylację i aktywację podjednostek kondensyny¹¹. Kiedy ilość tej kinazy jest mniejsza, aktywność kondensyny znacznie słabnie – wykazano na przykład, że usunięcie kinazy Aurora B z jaj Xenopus (żaby szponiastej) skutkuje 50-procentowym spadkiem ilości kondensyny I, która łączy się z chromosomami¹².

Surwiwina, w połączeniu z modyfikacjami histonów, odpowiada za kierowanie kompleksu CPC do chromatyny i pomaga pozycjonować kinazę Aurora B¹³. Wykazano, że zmniejszenie ilości surwiwiny prowadzi do „znacznej redukcji endogennego poziomu fosforylowanego histonu H3 i niewłaściwego rozlokowania kinazy Aurora B”¹⁴.

Kompleks CPC jest stabilizowany przy chromosomach wskutek działania borealiny, co umożliwia stałą aktywność kinazy Aurora B i wydajne rekrutowanie kondensyn¹⁵. Kiedy borealina zostaje wyciszona przez interferencję RNA, postęp procesu mitozy opóźnia się, a następstwem tego są „błędne przyłączenia kinetochoru i wrzeciona podziałowego oraz wzrost ilości wrzecion dwubiegunowych powiązanych z astrosferami ektopowymi”¹⁶.

Wewnętrzne białko centromeru (INCENP – inner centromere protein) służy jako rusztowanie i aktywuje kinazę Aurora B, tak aby mogła ona fosforylować substraty (zwłaszcza histony, kondensyny i topoizomerazy IIα)¹⁷.

Topoizomeraza IIα

Topoizomeraza IIα jest niezbędna do prawidłowego zajścia podziału mitotycznego. Przy jej braku typowym rezultatem jest błędne rozdzielenie chromosomów, aneuploidia i śmierć komórki. Topoizomeraza IIα odgrywa szczególnie istotną rolę w rozplataniu katenacji chromosomów. Katenacja oznacza fizyczne splecenie chromatyd siostrzanych w następstwie replikacji DNA (ma to związek z tym, że DNA ulega topologicznemu połączeniu w trakcie kopiowania). Jeśli chromatydy siostrzane nie zostaną rozplątane, to skutkiem tego może być nieprawidłowe rozdzielenie ich w stadium anafazy, co może z kolei prowadzić do błędnej segregacji oraz aneuploidii. Katenacja może też skutkować tym, że w trakcie procesu mitozy chromatydy będą poddawane rozciąganiu, co grozi rozerwaniem chromosomów. Kiedy w toku eksperymentu topoizomerazę IIα usunięto przed nastąpieniem mitozy, uniemożliwiło to kondensację chromosomów, a mimo zajścia mitozy w komórce nie doszło do rozdzielenia chromosomów¹⁸. Odkryto ponadto, że „usunięcie TOP2A z komórek w stadium prometafazy lub metafazy powoduje radykalną utratę skondensowanej struktury chromosomów mitotycznych”, co wskazuje na to, iż topoizomeraza IIα „odgrywa kluczową rolę w utrzymywaniu chromosomów mitotycznych”¹⁹.

Jak topoizomeraza IIα rozplata katenacje, aby mitoza mogła dojść do skutku?²⁰ Po pierwsze, rozpoznaje ona uległe katenacji regiony, w których chromatydy siostrzane są splecione, i wiąże się z nimi. Dwie domeny wiążące DNA rozpoznają dwa segmenty DNA –segmenty G i T (odpowiednio – segment bramkowy i segment transportowany). Segment G znajduje się w dupleksie DNA, który zostanie odcięty, a segment T występuje w dupleksie, który przejdzie przez pęknięcie. Topoizomeraza IIα, przy wykorzystaniu energii z hydrolizy ATP, indukuje zmianę konformacyjną, wskutek której segment G zostaje umieszczony w miejscu aktywnym topoizomerazy IIα. Obie nici segmentu G są następnie odcinane, a segment T przechodzi przez pęknięcie. Skutkiem tego procesu jest rozplątanie splecionych chromatyd. W dalszej kolejności topoizomeraza IIα odrzuca odcięty segment G, dzięki czemu odłącza się ona od DNA (wykorzystując energię z następnego cyklu hydrolizy ATP) i powraca do swojego stanu wyjściowego.

Funkcja topoizomeraz nie ogranicza się, rzecz jasna, do rozplątywania katenacji przed zajściem procesu mitozy – odgrywają one też ważną rolę w rozluźnianiu superskręceń w trakcie replikacji DNA. Po zduplikowaniu genomu nadal występują jednak pewne katenacje, zwłaszcza w regionach centromerów i heterochromatyny. Muszą one ulec całkowitemu rozplątaniu przed nastąpieniem mitozy (w przeciwnym razie utrudnione byłoby prawidłowe rozdzielenie chromosomów). Gwarantuje to fosforylacja topoizomerazy IIα przez kinazę cyklinozależną 1 (Cdk1) i kinazę Aurora B. W późnej fazie G₂/M prowadzi to do zwiększenia aktywności topoizomerazy IIα w zakresie rozplątywania katenacji, bez czego nie mogłoby dojść do kondensacji chromosomów²¹.

W późnym stadium G₂ występuje nawet punkt kontrolny, który określa, czy katenacja została całkowicie rozplątana²². Gdy wykryty zostaje stres topologiczny, do chromatyny rekrutowana jest kinaza ATR (ataxia telangiectasia and Rad3-related). W ten sposób dochodzi do fosforylacji kinazy Chk1 (checkpoint kinase 1), która z kolei fosforyluje Cdc25C, czyli fosfatazę aktywującą Cdk1. Skutkuje to inhibicją Cdc25C i uniemożliwieniem aktywacji Cdk1, przez co opóźnia się moment wejścia komórki w proces mitozy. W ramach eksperymentów przeprowadzanych na myszach wykazano, że wyciszenie kinazy ATR prowadzi do wczesnej śmierci zarodków wskutek apoptozy wielu komórek i w związku z licznymi defektami procesu mitozy, co wskazuje na istotną rolę kinazy ATR w prawidłowym zachodzeniu podziału mitotycznego²³. W podobnym badaniu ustalono, że delecja Chk1 również skutkuje śmiercią zarodków myszy²⁴.

Teoria inteligentnego projektu

Proces kondensacji chromosomów jest absolutnie niezbędny do prawidłowego zajścia mitotycznego podziału komórkowego, a tym samym stanowi część większego układu nieredukowalnie złożonego. Co więcej, mocno skondensowane struktury chromosomów mitotycznych (gdzie chromatydy siostrzane są połączone ze sobą w centromerze) pełnią swoją funkcję wyłącznie w kontekście mitozy. Jak się ponadto przekonaliśmy, do prawidłowego zajścia kondensacji chromosomów konieczne są różne elementy składowe. Mamy więc tutaj do czynienia z przykładem układu nieredukowalnie złożonego, który jest zagnieżdżony w większym układzie nieredukowalnie złożonym. Jest niezwykle mało prawdopodobne, aby taki cud inżynierii mógł powstać wskutek niekierowanego procesu ewolucji. W mojej ocenie znacznie lepszym wyjaśnieniem jest hipoteza, zgodnie z którą proces kondensacji chromosomów powstał jako rezultat aktywności świadomego umysłu.

Jonathan McLatchie

Oryginał: Irreducible Complexity Nested Within Irreducible Complexity: The Case of Chromosome Condensation, „Evolution News & Science Today” 2025, March 19 [dostęp: 9 V 2025].

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan

Literatura: