Биологи засняли на видео неуловимый "мотор" клетки, раскрыв тайну его активации

В фундаментальном исследовании, опубликованном сегодня в Developmental Cell, клеточные биологи Вэй-Ли Ли и Стивен Маркус с коллегами сообщили, что раскрыли один из ключевых вопросов деления стволовых клеток: как динеин, двухкомпонентный наномасштабный "митотический мотор" клетки, позиционируется, чтобы направлять процесс деления.

Их эксперименты можно сравнить с восстановлением никогда ранее не виденных кадров к классическому фильму. Более того, Ли отмечает, что эти кадры имеют решающее значение для сюжета и помогают объяснить всё производство.

Поскольку те же процессы поляризации, которые Ли и коллеги наблюдали в почкующихся дрожжах, происходят и при асимметричном делении аналогичных человеческих стволовых клеток, значение этого открытия огромно. Оно должно углубить понимание таких серьёзных неврологических расстройств, как лиссэнцефалия — редкое нарушение формирования мозга, приводящее к "гладкому" мозгу без извилин и борозд.

В нейронах основная роль динеина — транспортировка продуктов жизнедеятельности от нервного окончания к телу клетки. Если этот транспорт нарушается, нейроны дегенерируют, что приводит к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера и БАС. "Наше открытие решает огромную загадку о том, как динеин работает во время асимметричных клеточных делений, таких как деления стволовых клеток, и подтверждает, что регуляция, которую мы видим у дрожжевого динеина, характерна и для динеина млекопитающих", — говорит Ли.

В неделящихся клетках, таких как стволовые, динеин выполняет десятки процессов, связанных с делением, настолько много, что говорят о его "беспорядочной" ассоциации со многими различными клеточными грузами. Ли и Маркус с аспирантом Джесси Панчем известны своими предыдущими открытиями о том, как динеин контролирует ранние этапы. Они входят в группу Morrill Motor & Mitosis на биологическом факультете UMass Amherst.

Асимметричное деление в стволовых клетках специализировано для генерации разных типов клеток, которые разовьются в специфические ткани, такие как кожа, сердце и почки. Деление нестволовых клеток проще и обычно симметрично.

Динеин, двухкомпонентный мотор и молекула груза, направляющая транспорт, контролирует первые шаги асимметричного деления, выравнивая и ориентируя веретено деления. Когда клетка собирается делиться, динеин перемещается на концах напоминающих рельсы микротрубочек к точке на внешней периферии клетки, известной как кортекс. Хвостовой конец динеина связывается и выгружает мотор в кортекс, закрепляя молекулу на мембране в точке, противоположной веретену деления.

Таким образом, динеин действует как колышек палатки, удерживая и натягивая веретено деления, когда оно перемещается в новое место для формирования двух неравных дочерних клеток. Из предыдущей работы также было известно, что моторная и хвостовая части динеина ингибируют или маскируют друг друга во время движения по микротрубочке, чтобы не происходило случайных взаимодействий. Когда динеин, направляемый микротрубочкой, достигает кортекса и готов к выгрузке, он "демаскируется".

Полностью скрытыми до сих пор были события, происходящие между перемещением по микротрубочке и закреплением в клеточной мембране. "Это давняя загадка, — говорит Ли. — Мы могли видеть замаскированный динеин, путешествующий на концах микротрубочек, но никто никогда не видел, как он доставляется в кортекс".

Чтобы заставить динеин раскрыть этапы выгрузки, Ли и Маркус сконструировали пептидный спейсер длиной 11 нанометров, что примерно равно диаметру моторной секции. Как подушка-валик, вставленная между двумя половинками раковины моллюска, он увеличивает пространство между мотором и хвостом, присоединяющим груз, но всё же позволяет частям оставаться физически связанными. Затем исследователи использовали обычный флуоресцентный микроскоп, чтобы наблюдать отдельную активность каждой части при наличии спейсера.

Эксперимент сработал лучше, чем они смели надеяться. Мутанты (с инженерным пептидным спейсером) сохранили нормальную моторную активность и позволили получить улучшенный обзор процесса выгрузки. Конкретно, Ли говорит: "С этим небольшим принудительным физическим расстоянием между мотором и хвостом мы ожидали, что обе части будут реагировать независимо относительно кончиков микротрубочек и мест выгрузки, что мы и наблюдали".

"Чего мы не ожидали, — продолжает он, — так это возможности фактически наблюдать процесс доставки. Для нас это стало полной неожиданностью и моментом озарения — впервые стать свидетелями гипотезы, подтверждённой прямыми доказательствами. Теперь мы знаем, как это происходит".

Исследовательская группа провела дальнейшие эксперименты, чтобы сравнить мутантный динеин с нормальным под микроскопом с полным внутренним отражением флуоресценции (TIRF), что позволило им визуализировать поведение отдельных молекул динеина. Эти эксперименты подтвердили, что элегантно спроектированный пептидный спейсер нарушил только одну переменную — его развёртывание в клетке — и не нарушил глобально химическую активность мотора.

В целом, результаты ясно показывают, что доставка, опосредованная микротрубочками, жёстко контролируется механизмом маскировки внутри молекулы динеина, говорит Ли, что теперь порождает множество новых вопросов. Его команда уже работает как минимум над двумя: какая молекула осуществляет "демаскировку" в различных процессах поляризации, опосредованных микротрубочками? И, будучи выгруженным с кончика микротрубочки, как мотор "включается" в кортексе?