Одним из чудес клеточной биологии является ее симметрия. Клетки млекопитающих имеют одно ядро и одну клеточную мембрану, а большинство людей имеют 23 пары хромосом. Триллионы клеток млекопитающих достигают такого единообразия, но некоторые постоянно ломают эту форму, чтобы выполнять уникальные функции. Теперь группа исследователей из Университета Джона Хопкинса выяснила, как эти выбросы формируются.
В экспериментах с генетически модифицированными мышами исследовательская группа исключила механизм, который, как долгое время считали ученые, контролирует количество волосовидных структур, называемых ресничками, выступающих снаружи каждой клетки млекопитающего. Они пришли к выводу, что контроль количества ресничек может вместо этого основываться на процессе, более обычно наблюдаемом у видов, не относящихся к млекопитающим.
Эксперименты, описанные 2 декабря в журнале Nature Cell Biology под руководством Эндрю Холланда, доктора философии, адъюнкт-профессора молекулярной биологии и генетики в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса, могут в конечном итоге помочь ученым узнать больше о заболевания человека, связанные с функцией ресничек, такие как респираторные инфекции, бесплодие и гидроцефалия.
Реснички - это древние структуры, которые впервые появились у одноклеточных организмов в виде маленьких волосовидных «пальцев», которые действуют как моторы для перемещения клетки или антенны для восприятия окружающей среды. Почти все человеческие клетки имеют по крайней мере одну ресничку, которая воспринимает физические или химические сигналы. Однако некоторые специализированные типы клеток у человека, например клетки, выстилающие дыхательные и репродуктивные пути, имеют на своей поверхности сотни ресничек, которые волнообразно бьются, перемещая жидкости по системе.
«Наш главный вопрос заключался в том, как эти многореснитчатые клетки настолько резко отличаются от остальных клеток нашего тела», - говорит Холланд.«Большинство клеток производят ровно одну ресничку на клетку, но эти высокоспециализированные клетки отказываются от жесткого числового контроля и производят сотни ресничек».
Пытаясь ответить на этот вопрос, Холланд и его команда более внимательно изучили основание ресничек, место, где органеллы прикрепляются и растут с поверхности клетки. Это основание представляет собой микроскопическую цилиндрическую структуру, называемую центриолем.
В клетках с одной ресничкой, говорит Холланд, центриоли создаются до того, как клетка делится. Клетка содержит двуродительские центриоли, каждая из которых дублируется, так что обе новые клетки получают по одной паре центриолей - самая старая из этих двух центриолей затем продолжает формировать основание реснички. Однако многоресничные клетки создают уникальные структуры, называемые дейтеросомами, которые действуют как копировальная машина, позволяющая производить от десятков до сотен центриолей, позволяя этим клеткам создавать множество ресничек.
«Дейтеросомы присутствуют только в многоресничных клетках, и ученые долгое время считали, что они играют центральную роль в определении количества центриолей и ресничек», - говорит Холланд..
Чтобы проверить это, Холланд и его команда разработали модель мыши, в которой отсутствовал ген, создающий дейтеросомы. Затем они проанализировали ткани, несущие мультиреснитчатые клетки, и подсчитали их реснички.
Исследователи были удивлены, обнаружив, что у генетически модифицированных мышей было такое же количество ресничек на клетках, как и у мышей с дейтеросомами, что исключает центральную роль дейтеросом в контроле количества ресничек. Например, все многоресничные клетки, выстилающие трахею, имели 200-300 ресничек на клетку. Исследователи также обнаружили, что клетки без дейтеросом могут образовывать новые центриоли так же быстро, как и клетки с ними.
Получив такой неожиданный результат, исследователи сконструировали мышиные клетки, в которых отсутствовали как дейтеросомы, так и родительские центриоли, а затем подсчитали количество ресничек, образованных в многоресничных клетках.
«Мы посчитали, что без родительских центриолей и дейтеросом многоресничные клетки не смогут создать необходимое количество новых ресничек», - говорит Холланд.
Примечательно, говорит Холланд, что даже отсутствие родительских центриолей не повлияло на окончательное число ресничек. Большинство клеток как в нормальных, так и в генетически модифицированных группах создали от 50 до 90 ресничек.
«Это открытие меняет догму о том, что мы считали движущей силой сборки центриолей», - объясняет Холланд. «Вместо того, чтобы нуждаться в платформе для роста, центриоли могут создаваться спонтанно».
Хотя это редкость у млекопитающих, так называемое поколение центриолей de novo не является чем-то новым для царства животных. У некоторых видов, таких как маленькие планарии плоские черви, полностью отсутствуют родительские центриоли, и они полагаются на генерацию центриолей de novo для создания ресничек, которые они используют для движения..
В дальнейших экспериментах на генетически модифицированных мышах Холланд обнаружил, что все спонтанно созданные центриоли были собраны в области клетки, богатой волокнистым материалом - белковыми компонентами, необходимыми для построения центриолей.
Он говорит, что подозревает, что белки, обнаруженные в этой малоизученной области клетки, содержат важные элементы, необходимые для построения центриолей и, в конечном счете, контролирующих количество образующихся ресничек. Все остальное, дейтеросомы и даже родительские центриоли, «не являются строго необходимыми», говорит он.
«Мы думаем, что функция дейтеросом заключается в том, чтобы уменьшить давление на родительские центриоли из-за потребности в создании множества новых центриолей, высвобождая родительские центриоли для выполнения других функций», - говорит Холланд..
Лучшее понимание механизмов, которые ограничивают количество ресничек в клетках человека, потенциально может способствовать усилиям по лечению заболеваний, связанных с ресничками, сказал он, путем определения мишеней для лекарств.