Машинерия митоза: кинетохоры, центриоли и хромосомные насосы

Исследователи из Университета Северной Каролины создают детальную модель веретена деления — сложнейшего клеточного аппарата, отвечающего за разделение хромосом во время клеточного деления. Для симуляции выбраны клетки дрожжей-почкующихся, чьё веретено состоит всего из ~40 микротрубочек (МТ), что в 100 раз меньше, чем в клетках млекопитающих.

Механическая модель веретена:

• Микротрубочки — элементы сжатия.
• Перицентрический хроматин — эластичные элементы натяжения.
• Кинетохорный белок — соединяет эти полимеры.

Новая работа, опубликованная в Current Biology, представляет детальную 3D-карту области кинетохоры хромосомы и исследует источник силы, организующей делящуюся клетку.

Источники силы в веретене:

• Локальная генерация силы происходит благодаря моторным белкам (кинезину, динеину).
• Более холистический взгляд предполагает, что основное влияние оказывает диффузная энтропийная сила.
• Потенциальный источник — «хромосомные насосы», действующие как осмотический сократительный гель, расширяющийся и сужающийся в ходе митоза (аналогично механизму инфицирования вирусом герпеса).

Авторы отмечают, что энтропийная упругость хромосомной ДНК может притягивать «плечи» веретена к полюсу, подобно отдаче пружины. Этот механизм уже показан при сегрегации ДНК у бактерий.

Моделирование как инструмент понимания

Наблюдения под микроскопом недостаточны. Прогресс в клеточной биологии теперь движется благодаря параметрическим симуляциям, где изменение одного параметра автоматически влияет на связанные с ним.

Детали модели

Использована модель Matlab/Simulink для измерения популяций длин веретена для 16 левых и 16 правых кинетохорных МТ. Модель включает:

• Полярные тельца веретена (центросомы), соединённые кинетохорными МТ.
• Основную структуру в виде спиральных трубок ДНК, сшитых кольцами когезина и линкерными молекулами конденсина.

Текущие усилия сосредоточены на нерешённых структурных деталях на поверхности внутренней кинетохорной пластинки (интерфейс кинетохора-МТ), в частности, на распределении ключевых молекул Cse4 и Ndc80.

Для этого создана модель на основе стохастического роста и укорочения веретен и кинетохорных МТ. На основе данных электронной микроскопии и томографии создан цилиндрический веретено диаметром 250 нм. Распределение Ndc80 симулировали с помощью флуорофоров на плюс-концах МТ.

Результаты таких исследований сегодня лучше всего передаются через визуальные симуляции, создаваемые междисциплинарными командами (как известные проекты Harvard Biovisions). Общественности, возможно, вскоре откроется невидимая биология митотического веретена в формате, которого она даже не ждала.