Как клетка узнает, когда нужно делиться? Мы знаем, что сотни генов участвуют в волне активности, связанной с клеточным делением, но новые исследования показывают, что для создания этой волны клетки должны сначала стать достаточно большими, чтобы производить четыре ключевых белка в адекватных количествах. Исследование, опубликованное сегодня в журнале Cell Systems, предлагает способ контроля баланса между ростом и делением клеток, который связан с бесчисленными заболеваниями, включая рак.
«В течение многих лет мы знали, что клетки должны достичь порогового размера перед клеточным делением, но как клетки узнают, когда они достигают этого порога, было загадкой», - сказала Кэтрин Ройер, ведущий автор, вместе с Майком Тайерсом из Университет Монреаля. Ройер является профессором биокомпьюции и биоинформатики Constellation и профессором кафедры биологических наук Политехнического института Ренсселера, а также членом Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований Ренсселера (CBIS). «Что-то устанавливает порог, а что-то его ощущает. Это исследование устанавливает механизм, лежащий в основе этого основного механизма в почкующихся дрожжевых клетках».
Исследование также решает вопрос о том, почему клетки, имеющие доступ к бедной питательными веществами среде, делятся в меньшем размере. Оба вывода связаны с обилием необходимых четырех ключевых белков.
«Многие заболевания включают элемент аномального размера и роста клеток, и в настоящее время у нас мало средств контроля над этими аспектами роста клеток», - сказал Дипак Вашишт, директор CBIS. «Это исследование отмечает четкий путь к нацеливанию на факторы транскрипции, чтобы изменить этот результат. Это наглядный пример того, как трансляционная медицина берет свое начало в Rensselaer."
Ройер и ее команда, в которую входили исследователи из Ренсселера и Университета Монреаля, исследовали дрожжевые клетки, которые делятся почкованием. Как и большинство клеток, дрожжевые клетки должны сначала синтезировать необходимые ресурсы и увеличиться в размерах, фаза клеточного цикла, известная как G1. Около 200 генов должны быть активированы в конце G1, и исследовательская группа изучила пять белков - факторы транскрипции SBF и MBF, репрессор транскрипции Whi5 и циклины G1 Cin1 и Cin2 - которые в совокупности необходимы для инициации транскрипции этих 200 генов. гены.
Исследователи использовали метод подсчета частиц для измерения абсолютной концентрации каждого из пяти белков, присутствующих в клетках по мере их роста. Этот метод основан на создании очень небольшого оптического объема и сканирующей микроскопии «Число и яркость» для сбора данных о свете, испускаемом белками с флуоресцентной меткой в выбранном объеме клетки. Расчеты, основанные на соотношении между средней интенсивностью света и колебаниями интенсивности света, позволяют определить количество молекул в этом объеме.
Ройер обнаружил, что по мере роста клеток молекулы четырех из пяти исследованных белков достигают количества, достаточного для связывания примерно с 400 сайтами связывания на 200 генах, которые контролируют белки. Приверженность к делению запускалась, когда клетка становилась достаточно большой, чтобы насыщать сайты связывания.
В маленькой клетке их просто не хватило для связывания со всеми сайтами. По мере роста клетки концентрация остается неизменной, но такая же концентрация в более крупной клетке означает, что больше молекул, и в конечном итоге достаточно для связывания с доступными сайтами», - сказал Ройер. «Оказывается, эта система представляет собой простой механизм титрования. Это очень простая биохимия».
Команда вырастила клетки в питательной среде - жидкости, предназначенной для поддержки роста дрожжевых клеток - с различными питательными веществами. Когда команда исследовала клетки, выращенные в среде с низким содержанием питательных веществ, они обнаружили, что эти клетки «активизировались», производя больше молекул четырех ключевых белков, учитывая размер их клеток, и, следовательно, вызывая приверженность к делению меньшего размера. Это открытие объясняет, почему клетки, выращенные в бедной питательными веществами среде, имеют меньший размер.
«Это нелогично, но на определенном уровне имеет смысл», - сказал Ройер. «Если вы дрожжевая клетка и находитесь в бедной питательными веществами среде, лучшим вариантом для вас является выживание колонии, а не отдельной особи. Поэтому вы делитесь на меньший размер, чтобы поддержать колонию».