Proč embryonální vývoj selhává?

Jedním z klíčových aspektů buněčného dělení je rovnoměrná distribuce genetického materiálu mezi dceřiné buňky. Porušení tohoto pravidla může vést k tzv. aneuploidii – buňky mají chromozomy navíc, nebo jim naopak některé chybí. Aneuploidie vede dříve či později ke ztrátě buněk a u mnohobuněčných organismů ji může doprovázet i nádorový zvrat.

Chromozom 1 jihoamerického jelena Mazama americana vznikl v evoluci fúzí čtyř chromozomů.

Zárodečné buňky savců, zejména oocyty, ale také časná embrya, vykazují velmi vysokou četnost aneuploidií, protože poruchy dělení chromozomů jsou v těchto fázích vývoje hojné. U savců jde o nejčastější příčinu selhání vývoje. Odhaduje se, že až třetina lidských zárodků zastaví svůj vývoj předčasně právě v důsledku aneuploidie.

V našem výzkumu se zabýváme příčinami těchto poruch. Zaměřujeme se na dynamiku výstavby dělicího vřeténka, struktury klíčové pro dělení chromozomů, která se svojí stavbou u oocytů a časných embryí zásadně liší od dělicího vřeténka v somatických buňkách. Studujeme také zpětnovazebné kontrolní mechanismy, které se vyvinuly v průběhu evoluce pro kontrolu událostí buněčného cyklu. Jedná se zejména o takzvaný kontrolní bod sestavení dělicího vřeténka, který monitoruje výstavbu této struktury a napojení všech chromozomů na mikrotubuly produkované dělicím vřeténkem. V průběhu mitózy může buňka přejít ze stadia metafáze do anafáz pouze tehdy, pokud je dělicí vřeténko vystavěno správně: kinetochory všech chromozomů jsou napojeny na dělicí vřeténko a sesterské chromatidy směřují k jeho opačným pólům.

Podařilo se nám zjistit, že u savčích oocytů a také blastomer časného embrya, má tento kontrolní bod pozměněnou funkci a není schopen zastavit dělení v případě chybného napojení chromozomů tak, jak to dokáže v somatických buňkách. To může v důsledku vést k chybnému rozdělení chromozomů a ke vzniku aneuploidie. Je tedy pravděpodobné, že odlišná funkce kontrolního bodu sestavení dělicího vřeténka se v průběhu časného vývoje významně podílí na selhání vývoje embrya.

Dělicí vřeténko v meióze I v živém oocytu myši. Znázorněny jsou zavěšené chromozomy (červeně) a vlákna tubulinu (zeleně). Měřítko znázorňuje 5 μM.

Reprodukční schopnosti organismů včetně člověka může negativně ovlivňovat řada vnějších i vnitřních faktorů. U mužů se jedná především o koncentraci spermií a jejich kvalitu – pohyblivost, morfologické defekty, integritu membrán hlavičky i bičíku a v neposlední řadě stav jejich genetického materiálu. Z vnějších faktorů má na kvalitu semene vliv mimo jiné znečištění životního prostředí včetně vysokých koncentrací chemických polutantů a polétavého prachu v ovzduší. Ukazuje se, a potvrdil to i náš výzkum v rámci projektu HAIE (Zdravé stárnutí v průmyslovém prostředí) zaměřeného na zdravotní dopady znečištění ovzduší, že kvalita spermií může kolísat i se sezonními změnami úrovně znečištění. Například v industriálním regionu Ostravska se po zimním období s vysokou koncentrací polutantů, především benzo(a)pyrenu, významně zvýšilo procento spermií s narušenou integritou chromatinu a s poškozením mitochondriální DNA.

Naše práce ale zasahuje i do jiných oblastí, než je reprodukce. Zabýváme se i evolučními změnami chromozomů u savců a sledujeme mezidruhovou příbuznost a fylogenetický vývoj jednotlivých taxonů. Takto jsme v minulosti zmapovali chromozomální přestavby, ke kterým došlo v průběhu evoluce například u druhů čeledi turovití (Bovidae), koňovití (Equidae) nebo jelenovití (Cervidae). Nově odhalené evoluční chromozomální přestavby u jelenovitých významně podporují výsledky dalších genetických analýz a morfologických pozorování a umožňují prosazení zásadních změn v systematickém rozdělení jihoamerických jelenů. Definování tří nových rodů, vyčlenění druhu Mazama rufa z heterogenního komplexu Mazama americana a další navrhované změny v taxonomii této skupiny jelenovitých významně mění i pohled na nutnost ochrany těchto vzácných savců, kteří čelí výzvám v podobě nelegálního lovu, fragmentace biotopů a změn klimatu vedoucích ke ztrátě jejich přirozeného prostředí.

Oddělení genetiky a reprodukčních biotechnologií

Oddělení se zabývá studiem struktury a funkce genomu hospodářských zvířat, studiem fyziologie a patologie pohlavních funkcí živočichů ve vztahu k poruchám plodnosti. Oddělení se věnuje také studiu biologie gamet a raných embryí hospodářských zvířat a vývoji nových reprodukčních biotechnologií.

Vedoucí oddělení: doc. MVDr. Martin Anger, CSc., tel.: +420 533 331 411, e-mail: martin.anger@vri.cz