Биологи Массачусетского технологического института нашли ответ на фундаментальный биологический вопрос: почему все клетки данного типа имеют одинаковый размер?
У людей размер клеток может варьироваться более чем в 100 раз, начиная от крошечных эритроцитов и заканчивая крупными нейронами. Однако внутри каждого типа клеток очень мало отклонений от стандартного размера. При изучении дрожжей исследователи Массачусетского технологического института вырастили клетки до размеров, в 10 раз превышающих их нормальные, и обнаружили, что их ДНК не справляется с потребностью в производстве достаточного количества белка для поддержания нормальных функций клеток.
Кроме того, исследователи обнаружили, что дефицит белка приводит клетки в неделящееся состояние, известное как старение, предлагая возможное объяснение того, как клетки стареют по мере старения.
«Существует так много гипотез, которые пытаются объяснить, почему происходит старение, и я думаю, что эти данные дают красивое и простое объяснение старения», - говорит Анжелика Амон, профессор Кэтлин и Кертис Марбл в области исследований рака в Департамент биологии и член Института интегративных исследований рака им. Коха.
Амон - старший автор исследования, опубликованного в интернет-издании Cell от 7 февраля. Габриэль Нейор, постдоктор Массачусетского технологического института, является ведущим автором статьи.
Чрезмерный размер
Чтобы выяснить, почему размер клеток так строго контролируется, исследователи предотвратили деление клеток дрожжей, изменив ген, критический для клеточного деления, чтобы его можно было отключить при определенной температуре. Эти клетки продолжали расти, но не могли делиться и не реплицировали свою ДНК.
Исследователи обнаружили, что по мере того, как клетки разрастаются, их ДНК и их механизм построения белка не могут поспевать за потребностями такой большой клетки. Эта неспособность производить достаточное количество белка приводила к разбавлению цитоплазмы и нарушению клеточного деления. Исследователи считают, что многие другие фундаментальные клеточные процессы, которые основаны на поиске клеточных молекул и взаимодействии друг с другом, также могут быть нарушены, когда клетки слишком большие.
Теоретические модели предсказывают, что разбавление цитоплазмы снизит скорость реакции. Каждая химическая реакция будет протекать медленнее, и некоторые пороговые концентрации определенных белков могут быть не достигнуты, поэтому определенные реакции никогда не будут происходить, потому что концентрации ниже, - говорит Neurohr.
Исследователи показали, что дрожжевые клетки с двумя наборами хромосом были способны вырасти в два раза по сравнению с дрожжевыми клетками с одним набором хромосом, прежде чем стареть, предполагая, что количество ДНК в клетках является ограничивающим фактором. в способности клеток расти.
Эксперименты с человеческими клетками дали аналогичные результаты: при изучении клеток фибробластов человека исследователи обнаружили, что принуждение клеток расти до чрезмерных размеров (в восемь раз больше их нормального размера) нарушало многие функции, включая деление клеток.
Возрастные заболевания
Амон говорит, что чрезмерный рост, вероятно, играет важную роль в развитии старения, которое происходит во многих типах клеток млекопитающих и, как считается, способствует возрастной дисфункции органов и хроническим возрастным заболеваниям.
Сенесцентные клетки часто больше, чем более молодые клетки, и это исследование, которое показало, что неконтролируемый рост клеток приводит к старению, предлагает возможное объяснение этому наблюдению. Человеческие клетки имеют тенденцию увеличиваться в размерах на протяжении всей своей жизни, потому что каждый раз, когда клетка делится, она проверяет ДНК на наличие повреждений, и если таковые обнаруживаются, деление останавливается на время восстановления. Во время каждой из этих задержек клетка становится немного больше.
«В течение жизни клетки, чем больше делений вы делаете, тем выше вероятность того, что вы получите это повреждение, и со временем клетки будут становиться больше», - говорит Амон. «В конце концов они становятся настолько большими, что начинают разбавлять критические факторы, важные для распространения».
Сложный вопрос, который остается без ответа, заключается в том, как разные типы клеток поддерживают размер, соответствующий их типу клеток, и теперь исследователи надеются изучить этот вопрос дальше.