Пейсмейкер деления дрожжевых клеток находится в ядре, а не снаружи, как считалось ранее
Исследователи из Института Фрэнсиса Крика показали, что «пейсмейкер», контролирующий деление дрожжевых клеток, находится внутри ядра, а не снаружи, как считалось ранее. Нахождение пейсмейкера в том же компартменте, что и ДНК клетки, помогает поддерживать стабильность генома.
Циклин-зависимая киназа (CDK) — главный регулятор клеточного цикла. CDK активна только в связке со вторым белком, циклин, и именно этот дуэт cyclin-CDK запускает каскад сигналов, инструктирующих клетку делиться.
Активность CDK строго регулируется во времени и пространстве. Этот комплекс можно считать пейсмейкером клеточного деления, потому что если он «запустится» не вовремя, деление пойдет катастрофически неправильно.
Исследователи обычно считали, что CDK впервые активируется в структуре, которая организует компоненты аппарата деления клетки. Эта структура, центросома, находится в цитоплазме, части клетки вне ядра. Однако в исследовании, опубликованном в Nature, Нитин Кападия, постдок из Лаборатории клеточного цикла Института Крика, опроверг эту устоявшуюся точку зрения.
Задание темпа клеточного деления
Для этого Нитин разработал сенсоры, позволившие заглянуть внутрь отдельных живых дрожжевых клеток и одновременно отслеживать активность CDK в ядре и цитоплазме. Он увидел, что сенсор в ядре регистрирует пик активности раньше, чем сенсор в цитоплазме. Это означает, что первым местом активации CDK было ядро.
Далее Нитин пометил молекулы циклина флуоресцентными метками, чтобы отследить их перемещение после связывания с CDK. Количество циклина в ядре уменьшалось одновременно с увеличением его количества в цитоплазме. Это говорит о том, что часть активных комплексов cyclin-CDK экспортируется из ядра для запуска следующих этапов сигнального каскада.
Добавление сенсоров активности CDK к этому эксперименту показало, что активация в ядре происходит до того, как cyclin-CDK отправляется в цитоплазму, где он немедленно инициирует активность CDK. Для активации CDK в цитоплазме требовалось лишь небольшое количество циклина.
Поддержание митоза и усиление сигнала
Митоз, процесс дублирования генома для передачи копии каждой дочерней клетке, важен для точного деления. Следующим вопросом Нитина было выяснить, как ядро остается в митотическом состоянии, несмотря на экспорт части его cyclin-CDK.
Он сопоставил активность CDK в ответ на разное количество циклина в ядре и цитоплазме и обнаружил, что для активации CDK в ядре должно накопиться много циклина. Однако после активации CDK ядро могло переносить снижение уровня циклина, не выходя из митоза. В отличие от этого, гораздо меньшее количество циклина могло активировать CDK в цитоплазме.
Вероятно, это связано с тем, что более высокий порог активации CDK в ядре связывает процесс деления клетки с механизмом мониторинга репликации и повреждения ДНК, тем самым предотвращая начало митоза, когда ДНК не «готова».
Чтобы определить, достаточно ли ядерной активации CDK для запуска деления клетки, Нитин заблокировал выход циклина из ядра к центросоме. Это остановило вступление цитоплазмы в митоз, даже если ядро находилось в митотическом состоянии. Это говорит о том, что некоторое количество cyclin-CDK должно достичь центросомы, которая передает сигнал остальной части клетки.
Нитин Кападия сказал: «Мы показали внутри живых клеток, что ядро является пейсмейкером клеточного деления, позволяя точно координировать репликацию ДНК с делением. Теперь, когда мы знаем, где начинается процесс, мы можем пристальнее изучить, что происходит в ядре, и играет ли ДНК также роль в запуске вступления в митоз. И, надеюсь, мы сможем начать выяснять, происходит ли этот процесс у других животных и людей».
Пол Нерс, директор Института Крика и глава Лаборатории клеточного цикла, сказал: «Существуют противоречивые данные о том, где начинаются митоз и клеточное деление, и сложно наблюдать этот процесс в человеческих клетках из-за большей сложности и множества факторов. Использование модельной системы, такой как дрожжи, позволило нам распутать этот процесс, наблюдая сигналы и изменения в реальном времени, и понять, как клетка координирует митоз в разных своих частях».
В 1975 году Нерс опубликовал свою первую статью в Nature, исследуя, как дрожжи контролируют начало митоза. Спустя пятьдесят лет, почти в тот же месяц, его лаборатория опубликовала еще одну статью в том же журнале, продолжая исследовать, как дрожжи контролируют начало митоза.