Пластин — молекулярная заклёпка для передачи механических сил на большие расстояния

Исследователи из Института механобиологии (MBI) Национального университета Сингапура впервые описали, как белок пластин, связывающий актиновые филаменты, действует как молекулярная заклёпка. Он обеспечивает глобальную связность кортекса — слоя под плазматической мембраной эмбриональных клеток — что облегчает поляризацию и деление клеток. Работа опубликована в Journal of Cell Biology 11 апреля 2017 года.

Пластин способствует поляризации и цитокинезу в зиготе C. elegans

Все многоклеточные организмы начинают жизнь, когда сперматозоид сливается с яйцеклеткой. Затем новая зигота должна пройти бесчисленные раунды деления, формируя эмбрион. Некоторые деления симметричны и генерируют две идентичные дочерние клетки в процессе цитокинеза. Другие асимметричны и приводят к неравным дочерним клеткам, которые дифференцируются в разные типы со специализированными функциями. Перед асимметричным делением эти клетки проходят процесс поляризации, когда верхняя или передняя часть клетки содержит другой набор белковых структур и машин, чем нижняя или задняя часть.

И цитокинез, и поляризацию приводит в действие сократительный компонент клетки — кортекс. Этот тонкий слой расположен внутри клетки, непосредственно рядом с плазматической мембраной, и в основном состоит из актиновых филаментов (F-актина). Это кабелеподобные структуры, которые динамически собираются и разбираются, поддерживая форму клетки. Кортекс также содержит моторный белок немышечный миозин II, который придает сети сократимость, и другие актин-связывающие белки, например, те, что связывают филаменты в пучки или облегчают сборку новых. Несмотря на хорошо установленное структурное устройство кортекса, было неясно, как все эти белки работают вместе в живом организме для создания структур высшего порядка на основе актина и передачи механической силы в ключевые моменты развития.

Чтобы исследовать эти вопросы, междисциплинарная команда из MBI, Института молекулярной и клеточной биологии A*STAR и Европейской лаборатории молекулярной биологии изучила кортекс в развивающемся организме — нематоде Caenorhabditis elegans (C. elegans). Исследование под руководством доцента Ронена Зайдель-Бара выявило важную роль актин-связывающего белка пластина (также известного как фимбрин) в раннем развитии C. elegans.

Пластин связывается с актиновыми филаментами, облегчая их объединение в пучки и укрепляя сеть актиновых филаментов. Это позволяет сети выдерживать силы, возникающие при сокращении филаментов, а также приложенные к кортексу извне. Выполняя роль молекулярной заклёпки, пластин позволяет клеточному кортексу эффективно функционировать, тем самым облегчая поляризацию и цитокинез. Используя микроскопию, генетические подходы и компьютерное моделирование, исследователи изучили клеточный кортекс на самых ранних стадиях развития C. elegans, уделив особое внимание пластину. Хотя предыдущие работы идентифицировали пластин в кортексе, ни одна не раскрыла его полной важности для развития эмбриона.

Для начала исследований аспирант MBI Дин Вей Юнг изучил зиготы мутантного штамма C. elegans, у которого была утрачена функция пластина. В этих зиготах и поляризация, и цитокинез были нарушены настолько, что либо не происходили, либо значительно задерживались. Наблюдая за развитием C. elegans с мутантным пластином, исследователи сосредоточились на изучении сократимости внутри кортекса во время развития.

Для этого они изучили организацию и динамику немышечного миозина II в кортексе во время поляризации. В нормальных зиготах моторные белки миозина накапливаются в крупные кластеры, генерирующие большие сократительные силы. Однако при потере функции пластина исследователи отметили, что миозин не накапливался в кластеры, как в нормальных клетках. Это означало, что генерируемые сокращения были намного слабее. В итоге потеря сильных, скоординированных кортикальных сокращений в эмбрионе мутантного червя привела к дефектной поляризации. Это было очевидно по нарушенному разделению двух белков, которые в норме накапливаются на противоположных концах клеток во время поляризации.

Затем авторы расширили исследование за пределы поляризации и изучили роль пластина в цитокинезе. В здоровых зиготах актиновые филаменты вместе с немышечным миозином II накапливаются в середине делящихся клеток. Оттуда они эффективно втягивают мембрану внутрь, так что противоположные стороны клетки встречаются и сливаются, создавая две клетки. В клетках с мутантным пластином это происходило не с той же скоростью. Было установлено, что пластин облегчает накопление белков в правильном положении.

Чтобы лучше понять, почему опосредованное пластином сшивание актомиозиновых филаментов оказывает такое влияние на поляризацию и цитокинез, команда обратилась к математическому моделированию. В частности, они проверили, достаточно ли одного увеличения связности между пластином и актомиозином для обеспечения дальнодействующей кортикальной сократимости. Эти симуляции выявили оптимальный уровень сшивания пластином, необходимый для облегчения этих процессов, и показали, что слишком малое или слишком большое сшивание приведет к сети F-актина, которая либо слишком разобщена, либо слишком жестка. В обоих случаях конечный результат — ослабленная сократимость. Чтобы подтвердить это в живых организмах, команда увеличила уровень пластина в здоровых зиготах C. elegans и обнаружила, что избыток пластина действительно существенно замедляет цитокинез.

Эмбриогенез требует надежной генерации и передачи силы, которая управляет критическими клеточными процессами, такими как поляризация и цитокинез. Результаты этой работы проясняют роль пластина как молекулярной заклёпки, обеспечивающей надежную поляризацию и своевременный цитокинез. Эти открытия также демонстрируют важность высокоуровневой организации актомиозинового цитоскелета и роль актин-связывающих белков, таких как пластин, в регуляции его функции.