Даже до того, как оплодотворенная яйцеклетка или зигота сможет начать делиться на дочерние клетки, которые формируют будущие ткани и органы в ходе развития многоклеточного организма, симметричная зигота должна стать асимметричной или поляризованной по форме и молекулярной организации. Главный переключатель, который запускает процесс нарушения симметрии в зиготах червя-нематоды Caenorhabditis elegans (C. elegans), был обнаружен в недавнем исследовании, проведенном доцентом Фумио Мотеги, главным исследователем Института механобиологии (MBI) в Национальный университет Сингапура (NUS). Эта работа была опубликована в Developmental Cell в марте 2019 года.
Киназа Aurora-A является сигналом нарушения симметрии в зиготах C. elegans
Вопреки упрощенному восприятию клеток как совершенно сферических тел, которое обычно изображается в школьных учебниках, клетки нашего тела принимают асимметричные или скошенные физические формы. Эта врожденная асимметрия в их форме действует как важный пространственный сигнал для многих фундаментальных клеточных процессов, таких как то, как они делятся или в каком направлении они двигаются, чтобы начаться и продолжаться нормально.
В настоящее время доступно огромное количество информации об изменениях на структурном и молекулярном уровне, которые происходят, когда клетка принимает асимметричное или поляризованное состояние. Структурно клетки приобретают верхнюю и нижнюю или переднюю и заднюю поверхности, а на молекулярном уровне специальные белковые группы, называемые регуляторами полярности, перемещаются в отдельные области клеточной коры (слой под клеточной мембраной). В результате разные области клеток приобретают специфическую архитектуру и функции.
Однако относительно мало известно о «главном переключателе», который инициирует пространственную сегрегацию клеточных компонентов в процессе, известном как нарушение симметрии. Центральный вопрос, который остается без ответа, - это сигнал, который направляет регуляторы полярности к их предназначенным местам. Помощник профессора Мотеги решил разгадать личность этого главного выключателя.
Изучая процесс нарушения симметрии в зиготах червя-нематоды Caenorhabditis elegans, его команда ранее обнаружила, как силы, генерируемые в коре при сокращениях актинового цитоскелета (нитевидного каркаса, состоящего из белков актина и миозина), могут направить движение регуляторов полярности в их предназначенные места. Вскоре после оплодотворения актомиозиновые сокращения в коре создают напряжение на поверхности зиготы. При нарушении симметрии пространственно контролируемое ингибирование актомиозиновых сокращений приводит к дисбалансу поверхностного натяжения, заставляя кортикальные цитоскелетные сети течь и транспортировать регуляторы полярности.
В этом исследовании ассистент профессора Мотэги и его аспирант биологических наук NUS Пэн Чжао отважились определить сигнал, который непосредственно нарушает симметрию в кортикальных сокращениях актомиозина и приводит к инициации и установлению полярности в зиготах C. elegans.. После использования метода, называемого РНК-интерференцией, для блокирования синтеза специфических белков, участвующих в процессе поляризации, и наблюдения за эффектами на живых зиготах они выделили белок под названием Aurora-A (AIR-1 у C. elegans) в качестве главного переключателя. для нарушения симметрии.
Aurora-A - это киназа (тип белка, который регулирует активность других белков путем добавления к ним молекулы фосфата), которая играет хорошо известную роль в контроле клеточного деления путем сборки центросом - клеточной органеллы, которая организует нитей микротрубочек и способствует развитию клеточного цикла.
Исследователи определили двухэтапный процесс, посредством которого Aurora-A влияет на сокращение актомиозина, чтобы инициировать нарушение симметрии и установить клеточную полярность. На первой стадии Aurora-A накапливается вокруг центросом и локально подавляет актомиозиновые сокращения в окружающей коре. Это создает различия в силе вдоль разных областей коры, и возникающий в результате кортикальный поток переносит миозины и другие белки полярности к передней части зиготы, тем самым создавая передне-заднюю асимметрию. На второй стадии Аврора-А диффундирует в цитоплазму и подавляет актомиозиновые сокращения по всей коре. Это предотвращает дальнейшие потоки коры головного мозга или движение регуляторов полярности, эффективно фиксируя их на месте.
Комментируя полученные данные, доцент Мотеги сказал: «Это исследование является ключевой частью головоломки о том, как запускается и устанавливается клеточная полярность. один из полюсов ячейки для нарушения симметрии."
Любопытно, что исследовательская группа обнаружила, что роль Aurora-A в поляризации клеток не зависит от ее роли в сборке центросом и развитии клеточного цикла. Благодаря плодотворному сотрудничеству с коллегами из NUS, включая доцента Юсуке Тояма (MBI) и профессора Торстена Воланда (отделение биологических наук NUS), которые поделились своим опытом в области лазерной абляции и флуоресцентной корреляционной спектроскопии соответственно, они продемонстрировали, что локальное накопление Aurora- A было достаточно, чтобы вызвать нарушение симметрии посредством его киназной активности, независимо от участия центросом.
Профессор Воланд, который использовал флуоресцентную корреляционную спектроскопию (FCS) для изучения скорости диффузии белков Aurora-A в цитоплазме, сказал: «Эта работа прекрасно показывает, насколько важно измерение динамики в процессах развития. Здесь, мы достигли этого с помощью FCS, универсального инструмента с чувствительностью к одной молекуле, который позволяет определять динамику с хорошим пространственным разрешением даже в сложных средах клеток и организмов».
Подчеркнув важность междисциплинарного подхода для получения значимых результатов, доц. профессор Тояма добавил: «В этой работе был использован межведомственный опыт использования микроскопических инструментов в NUS. Индуцированная ультрафиолетовым лазером «клеточная хирургия», выполненная нами, позволила манипулировать положением Aurora-A в зиготах C. elegans, чтобы определить его влияние на процесс нарушения симметрии».
Недавние исследования в этой области связали аномальную активность киназы Aurora-A с трансформацией раковых клеток. Исследователи надеются, что результаты этого исследования помогут пролить свет на эту патогенную связь. Хотя до того, как будет понят весь процесс клеточной поляризации, все еще остаются некоторые недостающие звенья, идентификация Aurora-A как главного переключателя, контролирующего клеточную поляризацию, является решающим шагом вперед для раскрытия дальнейших деталей этого важного биологического процесса.
Важно, что все больше данных свидетельствует о том, что процесс поляризации действует как ключевой контрольный пункт для предотвращения канцерогенных событий в клетках, а нарушение регуляции этого процесса может в конечном итоге привести к началу канцерогенеза. Это исследование закладывает основу для разработки новых терапевтических подходов к раку, основанных на манипулировании и восстановлении клеточной полярности.