Многие наши клетки снабжены волосовидной «антенной», передающей в клетку информацию о внешней среде, и ученые уже обнаружили, что появление и исчезновение этих так называемых первичных ресничек синхронизировано с процессом клеточного удвоения, называемого митозом. Теперь клеточные биологи из Университета Джона Хопкинса сообщают об открытии новой информации о том, как эта «выпадение волос» и удвоение клеток связаны посредством драматического отсечения кончиков ресничек - того, что ученые называют обезглавливанием, - с которого начинается их разборка.
Исследователи говорят, что новая информация является ключом к лучшему пониманию того, как клетки решают пройти митоз, процесс, неотъемлемую часть развития организмов, поддержания тканей и образования рака. Они также надеются, что их работа прольет свет на болезни, связанные с ресничками, такие как поликистоз почек и некоторые формы умственной отсталости.
«Обезглавливание ресничек наблюдалось и раньше, но никогда не исследовалось», - говорит Таканари Иноуэ, доктор философии, доцент кафедры клеточной биологии Медицинской школы Университета Джона Хопкинса, который руководил исследованием. «Теперь мы знаем, что это нормальный процесс, а не просто то, что происходит в определенных экспериментальных условиях. И мы определили молекулярные игроки, которые им управляют».
Краткое изложение результатов его команды опубликовано 12 января в журнале Cell.
Подобно антеннам на минивэнах, первичные реснички представляют собой крошечные структуры, которые появляются на клетках в почках, мозге, сетчатке и внутреннем ухе, среди других органов, и предоставляют клеткам информацию о потоке и химическом составе жидкостей снаружи.
Когда клетка не делится, состояние, называемое покоем, большинство клеточных структур постоянно меняются, но первичные реснички относительно стабильны. Иноуэ и его группа стремились понять, что вызывает «стрижку», когда клетка выходит из состояния покоя и начинает митоз, во время которого реплицированные хромосомы делятся и заселяют две новые «дочерние» клетки.
Они начали со сравнения клеток с большим и меньшим количеством фермента под названием Inpp5e, который в предыдущих исследованиях был связан со стабильностью ресничек. После добавления флуоресцентной метки к мембране ресничек в покоящихся эмбриональных клетках мыши команда сняла на видео кончики ресничек. Казалось, что они разъединялись и уплывали каждые несколько часов.
Скорость обезглавливания была выше в клетках, в которых отсутствовал ген Inpp5e, и когда клеткам давали сигналы, стимулирующие митоз. Но когда ученые добавили к белку Inpp5e молекулярный код, чтобы он собирался в ресничках, скорость обезглавливания сильно замедлилась. Иноуэ говорит, что это говорит о том, что присутствие Inpp5e в ресничках останавливает процесс декапитации и что митотические сигналы вытесняют Inpp5e из ресничек, способствуя обезглавливанию..
«Поскольку генетические мутации в Inpp5e связаны с синдромом Жубера, который характеризуется аномальным развитием мозга и умственной отсталостью, мы теперь подозреваем, что Inpp5e влияет на развитие мозга», - говорит Иноуэ.
Функция Inpp5e заключается в истощении жироподобной молекулы, называемой PIP2, из мембраны ресничек. Флуоресцентная метка, которая связывается с PIP2, показала исследователям, что концентрация PIP2 в ресничках, особенно вблизи кончика, также была синхронизирована: PIP2 накапливался на кончиках ресничек после того, как клетки получали митотические сигналы, и реснички обрезались в этом месте. накопления PIP2.
Поскольку PIP2 играет ключевую роль в формировании проволочных структур, состоящих из белка актина, команда использовала флуоресцентный биосенсор для измерения и наблюдения за формированием структур в ресничках. В ресничках, содержащих избыток PIP2 из-за недостатка Inpp5e, исследователи обнаружили десятикратное увеличение образования проволок. Кроме того, они увидели, что образование проволоки произошло прямо на месте обезглавливания всего за несколько минут до назначенного времени (см. ВИДЕО).
"Мы думаем, что формирование проволоки на самом деле обеспечивает силу, которая обезглавливает реснички", - говорит Иноуэ.
Чтобы увидеть, как обезглавливание повлияло на разборку остальной части ресничек, Сью Ченг Фуа, аспирант лаборатории Иноуэ и главный автор статьи, разработал способ предотвращения образования проводов внутри ресничек. Она обнаружила, что провода необходимы для обезглавливания ресничек и что обезглавливание необходимо для полной разборки ресничек.
Далее команда проанализировала время обезглавливания ресничек. Используя радугу флуоресцентных меток, исследователи проследили за клетками с ресничками от покоя до их перехода к митозу. Реснички были отмечены синим цветом, а ядра клеток меняли цвет с желтого на красный и затем на темный по мере их развития. В нормальных клетках обезглавливание ресничек обычно происходило, когда клетки все еще находились в состоянии покоя (желтые ядра), перед переходом в митоз (темные ядра). Но в клетках, реснички которых были лишены возможности образовывать проволочки, неспособность декапитировать реснички была связана с более медленным переходом от состояния покоя к митозу.
«Каким-то образом обезглавливание вызывает сокращение ресничек; они сокращаются больше, чем то, что было обрезано», - говорит Иноуэ. «В то же время это сигнализирует клетке, что пора выйти из состояния покоя и начать деление».
Когда они проанализировали содержимое кончиков обезглавленных ресничек - совместный проект с исследователями из Японии - они в основном обнаружили молекулы, важные для передачи сигналов клетками и роста ресничек, подразумевая, что обезглавливание регулирует состав и функцию ресничек.
По словам Фуа, обрезанные кончики ресничек также могут иметь клиническое значение. Недавние исследования показывают, что моча пациентов с поликистозной болезнью почек содержит крошечные мешочки, заключенные в оболочку. Иноуэ говорит, что, возможно, это кончики ресничек, и они играют роль в развитии болезни, но для подтверждения этой теории необходимы дополнительные исследования.
Фуа добавляет, что: «Аномальные сенсорные функции ресничек связаны с некоторыми видами рака, такими как рак кожи и рак головного мозга. Новая связь между декапитацией ресничек и митозом может помочь нам понять, как дефекты первичных ресничек влияют на аномальные клеточные деления, которые лежат в основе образования рака."