Молекулярные силы — ключ к правильному делению клеток
Исследования клеточного биолога Томаса Марески из Университета Массачусетса в Амхерсте раскрывают новые детали молекулярной системы наблюдения, которая помогает обнаруживать и исправлять ошибки в делении клеток, ведущие к гибели клеток или человеческим болезням. Результаты опубликованы в текущем выпуске Journal of Cell Biology.
Цель деления клетки — равномерно распределить геном между двумя дочерними клетками. Для этого каждая хромосома должна правильно взаимодействовать со веретеном деления. Однако ошибки взаимодействия между хромосомами и веретеном во время деления поразительно распространены — они происходят в 86–90% хромосом.
Ключ к безупречному делению клеток — исправление опасных взаимодействий до того, как клетка разделится надвое. Работая с клетками культуры тканей плодовой мушки, Мареска и его аспиранты разработали метод наблюдения и записи ключевых игроков в делении клеток, включая микротрубочки, формирующие митотическое веретено, и кинетохоры — участки, опосредующие взаимодействие хромосом с микротрубочками.
Впервые они напрямую проверили и количественно оценили, как полярная выталкивающая сила (PEF), создаваемая молекулярными моторами, влияет на натяжение в кинетохорах и коррекцию ошибок в митозе. «Теперь у нас есть мощный новый метод, чтобы понять, как это натяжение регулирует взаимодействия кинетохор с микротрубочками», — отмечает Мареска.
В нормальном делении хромосомы выстраиваются в центре, где две копии каждой хромосомы скреплены «молекулярным клеем», пока не поступит сигнал его растворить. Затем копии хромосом растягиваются к противоположным полюсам клетки. Ключевую роль в этом играют кинетохоры — крупные белковые структуры, собирающиеся на каждой хромосоме.
Этот хорошо организованный процесс предотвращает серьёзные проблемы, такие как анеуплоидия — наличие лишних или недостающих хромосом в дочерних клетках. Анеуплоидия в соматических клетках ведёт к гибели клеток и является отличительной чертой большинства раковых клеток. В половых клетках она приводит к серьёзным врождённым дефектам и выкидышам.
При правильном выравнивании микротрубочки от противоположных полюсов веретена тянут копии хромосом в разные стороны, создавая натяжение в кинетохорах, что стабилизирует их связь с микротрубочками. Однако при синтелических прикреплениях (syntelic) обе копии прикрепляются к одному полюсу, что ведёт к неправильному расхождению хромосом и анеуплоидии, если не исправить ошибку.
«Клетки имеют механизм наблюдения, который позволяет им ждать, пока каждая хромосома правильно выстроится, прежде чем распределять хромосомы», — говорит Мареска.
На молекулярном уровне исследователи провели эксперименты, заставив клеточный механизм сверхэкспрессировать молекулярный мотор, производящий PEF. Это неожиданно вызвало резкое увеличение синтелических прикреплений. Используя флуоресцентные метки разных цветов для хромосом, микротрубочек, кинетохор и кинезина, они визуализировали взаимодействия в реальном времени.
«Мы видим, что путь обнаружения предотвращает растворение молекулярного клея, пока все хромосомы не выровнены правильно. Эта задержка даёт клетке время исправить ошибки», — объясняет Мареска. — «Мы предполагаем, что эти плохие синтелические прикрепления в норме очень недолговечны, потому что они не находятся под должным натяжением. Однако, когда мы экспериментально повышаем PEF, натяжение возникает в прикреплениях, которые обычно его не испытывают, по сути обманывая клетку, заставляя её думать, что эти хромосомы правильно выровнены».
График зависимости процента синтелических прикреплений от величины PEF показал, что уровень ошибок выходит на плато в 80–90%, что подтверждает более ранние работы других учёных на разных типах клеток.
«В клетках с повышенным PEF путь коррекции отменяется, механизм обнаружения отключается, и результат катастрофичен, так как приводит к тяжёлой анеуплоидии. Это исследование показало нам, как важный молекулярный мотор генерирует PEF и как эта сила влияет на точность деления клеток».