Исследователи из Института механобиологии Сингапура (MBI) при Национальном университете Сингапура впервые описали, как пластин, связывающий актин белок, действует как молекулярная заклепка, обеспечивая глобальную связь с корой. лежащие в основе плазматической мембраны эмбриональных клеток, чтобы облегчить поляризацию и деление клеток. Работа была опубликована в The Journal of Cell Biology 11 апреля 2017 года.
Пластин способствует поляризации и цитокинезу в зиготе C. elegans
Все многоклеточные организмы начинают свою жизнь, когда сперматозоид сливается с ооцитом. Только что оплодотворенная зигота должна затем пройти бесчисленные раунды клеточного деления, поскольку она формирует эмбрион. Некоторые деления являются симметричными и производят две идентичные дочерние клетки в процессе, известном как цитокинез. Другие асимметричны и приводят к неравным дочерним клеткам, которые дифференцируются в отдельные типы клеток со специализированными функциями. Перед асимметричным делением эти клетки подвергаются процессу, известному как поляризация, когда верхняя или передняя часть клетки содержит другой набор белковых структур и механизмов по сравнению с нижней или задней частью клетки.
И цитокинез, и поляризация управляются сократительным компонентом клетки, называемым корой. Этот тонкий слой расположен внутри клетки, непосредственно прилегает к плазматической мембране и в основном состоит из актиновых филаментов (F-актин), которые представляют собой кабельные структуры, которые динамически собираются и разбираются и сохраняют форму клетки. Кора также содержит моторный белок немышечный миозин II, который придает сократительную способность сети, и другие актин-связывающие белки, такие как те, которые связывают филаменты вместе или облегчают сборку новых филаментов. Несмотря на то, что структурное устройство коры головного мозга хорошо известно, было неясно, как все эти белки работают вместе в живом организме, создавая структуры на основе актина более высокого порядка и передают механическую силу во время важнейших процессов развития..
Чтобы исследовать эти вопросы, группа междисциплинарных ученых из MBI, Института молекулярной и клеточной биологии ASTAR и Европейской лаборатории молекулярной биологии исследовала кору развивающегося организма, в частности Caenorhabditis elegans (C. elegans), который представляет собой прозрачного червя-нематода длиной 1 мм. В результате исследования, которое вел доцент Ронен Зайдель-Бар, стала очевидна важная роль актин-связывающего белка, называемого пластином (a.к.а. fimbrin) в раннем развитии C. elegans.
Пластин связывается с актиновыми филаментами, чтобы облегчить их связывание и укрепить сеть актиновых филаментов, чтобы она могла противостоять силам, возникающим при сокращении филаментов, а также силам, воздействующим на кору от внешних раздражителей. Действуя как молекулярная заклепка, пластин позволяет коре клеток функционировать эффективно, тем самым способствуя поляризации и цитокинезу. Используя подходы микроскопии, генетического и компьютерного моделирования, исследователи изучили клеточную кору на самых ранних стадиях развития C. elegans, уделяя особое внимание пластину. Хотя предыдущие попытки идентифицировали пластин в коре, ни одна из них не выявила его полной важности в развитии эмбриона.
Чтобы начать исследования, кандидат наук MBI г-н Дин Вей Юнг исследовал зиготы мутантного штамма C. elegans, в которых функция пластина была утрачена. В этих зиготах и поляризация, и цитокинез были нарушены до такой степени, что либо не происходили, либо значительно задерживались. Имея возможность наблюдать, как C. elegans формируется с мутировавшим пластином, исследователи обратили свое внимание на изучение сократительной способности коры во время развития C. elegans.
Для этого исследователи изучили организацию и динамику немышечного миозина II в коре во время поляризации. В нормальных зиготах моторные белки миозина будут накапливаться в большие кластеры, которые генерируют большие силы сокращения. Однако, когда функция пластина была утрачена, исследователи отметили, что миозин не накапливался в кластерах, как в нормальных клетках. Это означало, что генерируемые сокращения были намного слабее по сравнению с нормальными клетками. В конечном счете, потеря сильных, скоординированных кортикальных сокращений у эмбрионов червей, мутировавших в пластине, приводила к дефектной поляризации. Это было видно по нарушенному разделению двух белков, которые в противном случае накапливались бы на обоих концах клеток по мере того, как они подвергались поляризации.
Затем авторы расширили свое исследование за пределы поляризации и рассмотрели роль пластина в цитокинезе. В здоровых зиготах актиновые филаменты вместе с немышечным миозином II будут накапливаться в середине делящихся клеток. Оттуда они эффективно тянут мембрану внутрь, так что противоположные стороны клетки встречаются и сливаются, создавая тем самым две клетки. Это не происходило с такой же скоростью в клетках, содержащих мутировавший пластин, и было установлено, что пластин способствует накоплению белков в правильном положении.
Чтобы лучше понять, почему опосредованное пластином сшивание актомиозиновых филаментов оказывает такое влияние на поляризацию клеток и цитокинез, команда обратилась к математическому моделированию. В частности, они проверили, достаточно ли увеличенной связи между пластином и актомиозином для управления долгосрочной сократимостью коры. Эти симуляции выявили оптимальный уровень перекрестного связывания пластина, необходимый для облегчения этих процессов, и показали, что слишком малое или слишком большое поперечное связывание приведет к тому, что сеть F-актина будет либо слишком несвязанной, либо слишком жесткой. В обоих случаях конечным результатом является ослабление сократительной способности. Чтобы подтвердить, что это справедливо для живых организмов, команда ученых увеличила уровень пластина в здоровых зиготах C. elegans и обнаружила, что действительно слишком большое количество пластина существенно замедляет цитокинез.
Эмбриогенез требует надежной генерации и передачи силы, которая управляет критическими клеточными процессами, такими как поляризация и цитокинез. Находки, представленные в этой работе, проясняют роль пластина как молекулярной заклепки, способствующей надежной поляризации и своевременному цитокинезу. Эти открытия дополнительно демонстрируют важность организации актомиозинового цитоскелета высокого порядка и роль актин-связывающих белков, таких как пластин, в регуляции его функции.