Группа исследователей из Института механобиологии Сингапура (MBI) при Национальном университете Сингапура вместе с коллегами из лаборатории Temasek Life Sciences и Института молекулярной и клеточной биологии ASTAR в Сингапуре обнаружили новый механизм установления клеточной полярности, который основан на кластеризации белков, вызванной силой натяжения. Эта работа была опубликована в научном журнале Nature Cell Biology в августе 2017 года.
Кортикальные силы индуцируют кластеризацию белков для поляризации клеток
Биологические клетки обычно визуализируются как круглые (или сферические) по форме, с ядром в центре и другими клеточными компонентами, разбросанными повсюду. В действительности каждый тип клеток имеет свою форму, размер и состав. Изображение симметричных сфер - это, по сути, чрезмерное упрощение, скрывающее тот факт, что почти все клетки асимметричны по своему составу, и что эта асимметрия развивается четкими и упорядоченными шагами.
Известная как клеточная полярность, эта ключевая характеристика клеток заключается в разделении субклеточных компонентов на отдельные области клетки. Если бы клетки были симметричными, такие процессы, как деление и движение клеток, происходили бы неправильно, а ткани и органы были бы деформированы и не функционировали. Несмотря на то, что это неотъемлемая часть развития организма, ученым еще предстоит полностью определить процессы, посредством которых клетки поляризуются.
Один из способов визуализировать асимметричный характер клеточного состава - подумать о компонентах автомобиля и о том, как они устроены. Некоторые части автомобиля должны быть расположены сбалансированно, например, колеса. Другие компоненты должны быть расположены в определенной ориентации для правильной работы, то есть сиденье водителя должно быть расположено перед задними пассажирскими сиденьями. Наконец, такие компоненты, как двигатель, могут быть расположены в передней или задней части автомобиля, и, что важно, такая организация придает различные свойства управляемости автомобиля. Точно так же расположение клеточных компонентов может оказывать сильное влияние на функцию клетки.
Многие из существующих исследований клеточной полярности были проведены на червях-нематодах C. elegans. На одноклеточной стадии эмбрион делится вдоль передней/задней оси с образованием двух дочерних клеток разного размера, с более крупной клеткой спереди и меньшей клеткой сзади. Эта передняя/задняя ось устанавливается движением и сегрегацией группы белков, известных как PAR (дефектные по разделению) белки.
Эти белки PAR находятся в клеточной коре, динамическом слое белковых нитей, который находится внутри клеточной мембраны. Перед поляризацией белки PAR распределяются по всей коре, где они свободно перемещаются. Во время поляризации кора сокращается, и это заставляет различные белки PAR разделяться и накапливаться либо спереди, либо сзади клетки, тем самым нарушая их ранее симметричную организацию и устанавливая полярность вдоль оси спереди/сзади. Однако механизм, с помощью которого сократительная активность транспортирует и выделяет белки PAR, остается неясным.
Напряженный поток
Группа исследователей под руководством доцента Фумио Мотеги, главного исследователя MBI и лаборатории Temasek Life Sciences, попыталась ответить на этот вопрос, наблюдая под микроскопом движение флуоресцентно меченных белковых комплексов PAR в живых эмбрионах C. elegans. поскольку они подверглись поляризации. Используя передовые методы микроскопии, они обнаружили, что определенные белки PAR собираются в кластеры в начале поляризации, и эти кластеры увеличиваются в размерах по мере прогрессирования поляризации. Как только корковое сокращение прекратилось, кластеры разобрались, и белки распределились в виде градиента вдоль передней/задней оси.
Несмотря на эти результаты, исследователи не обнаружили прямой связи между сократительными волокнами и белками PAR, и это привело их к гипотезе о том, что непрямой эффект сокращения отвечает за кластеризацию. Нарушая или укрепляя актомойзиновую кору и наблюдая за эффектом на формирование кластеров, они обнаружили, что ключевой силой, управляющей кластеризацией ФАР, было корковое напряжение, которое развивалось по мере сокращения коры..
Исходя из этого, исследователи смогли предложить новую модель, объясняющую сегрегацию белков PAR. Здесь сокращение актомиозиновой коры приводит к увеличению напряжения коры, заставляя белки PAR собираться в кластеры. Поскольку эти большие скопления движутся медленно, они вовлекаются в общий кортикальный поток и разделяются на одном конце клетки, тем самым устанавливая полярность. Эти сегрегированные кластеры белков PAR затем действуют как каркас, который опосредует локальное накопление других белков, необходимых для установления осей передней/задней вдоль тела.
Обнаруженный в этом исследовании механизм является простым, но элегантным примером того, как клетки используют внутренние силы для перемещения и организации своих белковых компонентов точным и упорядоченным образом. Важно отметить, что описанный силовой механизм позволяет клетке устанавливать полярность, не тратя впустую энергию, путем активного транспорта белков или клеточных компонентов против градиента концентрации. Считается, что аналогичные механизмы используются для нарушения симметрии у других организмов, включая человека, и есть надежда, что это новое знание поможет ученым понять, как и почему клеточная полярность не может быть правильно установлена при таких заболеваниях, как муковисцидоз и рак.