Биологи, изучающие механику клеточного деления, в течение многих лет расходились во мнениях относительно того, какая сила действует, когда молекулярные двигатели клетки выстраивают хромосомы в клетке, готовясь к перемещению копий к противоположным полюсам через мостообразную структуру. называется кинетохора, чтобы сформировать две новые клетки. Этот вопрос имеет основополагающее значение для понимания того, как клетки делятся, говорит клеточный биолог Томас Мареска из Массачусетского университета в Амхерсте.
Как он говорит: «Мы знаем, что не можем полностью понять структуру кинетохор, пока не поймем силы натяжения и их силу, но оценки были повсюду. Они отличаются на порядки, в сотни раз, а некоторые в тысячи раз. Но теперь, я думаю, мы наконец получили ответ."
Правильная сегрегация хромосом является фундаментальным, важным шагом в точном делении клеток, отмечает биолог. Неправильная сегрегация хромосом приводит к анеуплоидии, которая является основной причиной выкидышей и хромосомных аномалий, а также связана с раком..
Используя два разных датчика силы для измерения противодействующих сил внутри делящихся клеток дрозофилы, Мареска и его коллеги из Массачусетского университета в Амхерсте предположили, что кинетохорные волокна воздействуют на кинетохоры направленной к полюсу силой в сотни пиконьютонов, решая вопрос о том, какая сила действует на кинетохоры. довели до ума. Подробности в текущем выпуске Nature Communications.
В ходе трехлетних экспериментов, в результате которых было получено более 3 200 точек данных, Мареска говорит: «Характер экспериментов требовал, чтобы многие-многие отдельные кинетохоры были визуализированы под микроскопом и тщательно проанализированы. Данные соответствовали очень высокой силе. В наномасштабном мире молекулярных двигателей силы, которые мы измеряли, очень велики. Внутри клеток есть много различных типов двигателей, многие из них похожи на спринтеры, но то, что мы измерили, больше похоже на бульдозер, производящий большую силу с медленной, но постоянной скоростью. Я надеюсь, что наши результаты помогут решить этот давний вопрос."
Он отмечает, что при нормальном клеточном делении хромосомы выстраиваются рядом с центром клетки, где структура, называемая веретеном, выравнивает две копии каждой хромосомы и помогает их разделить. Все это требует белковой структуры, похожей на мостик, называемой кинетохорой, которая поддерживает надлежащую силу или натяжение, подобно мостовым кабелям, стабилизирующим хромосомы, когда они взаимодействуют с нитями веретена, называемыми микротрубочками. Когда клетка готова к делению, молекулярные двигатели разделяют копии хромосом. Микротрубочки также принимают активное участие в этом процессе, отрываясь, как банановая кожура, по мере прогрессирования деления.
«Знать, какую силу микротрубочки и веретено воздействуют на кинетохору, очень важно, потому что это похоже на мост», - говорит Мареска. «Если вы не знаете, какая сила необходима для поддержки моста, вы упускаете из виду фундаментальную часть истории. этот вопрос о силе представляет собой большой пробел в нашем базовом понимании клеточной биологии, особенно с учетом того, что кинетохоры, возможно, являются наиболее важными структурами, передающими силу в клетке; они подобны Золотым воротам или Бруклинским мостам клеточного мира».
В этой работе он и аспиранты Анна Йе и Стюарт Кейн использовали два разных датчика силы, вставленных в кинетохоры. Они визуализировали клетки на мощных микроскопах, которые обнаруживают свет, излучаемый флуоресцентными молекулами в каждом сенсоре. Один датчик был спроектирован таким образом, чтобы снижать флуоресценцию при приложении к нему силы, в то время как другой становился ярче при натяжении. Поскольку оба датчика были предварительно откалиброваны, измеренные изменения флуоресценции соответствовали приложению определенной силы. Два репортерских метода согласовались, что позволило исследователям сделать более убедительный вывод о величине силы, прикладываемой к кинетохору.
Двигатели, которые движутся по дорожкам микротрубочек, как автомобили на шоссе, выполняют большую работу в клетках. Но наши данные заставили нас поверить, что на самом деле именно сами дорожки микротрубочек наиболее способны производить количество силу, которую мы измерили», - говорит Мареска. «Он сильный, но не быстрый, и мы думаем, что наибольшая сила приходится на дороги, а не на двигатели».
Для этой работы некоторые данные были собраны в Ядре световой микроскопии и Центре передового опыта Nikon в Институте прикладных наук о жизни Университета Массачусетса в Амхерсте при поддержке Массачусетского центра наук о жизни. Финансирование поступило от UMass Amherst, Фонда March of Dimes, Фонда Чарльза Х. Фонд Худа и Национальный институт общих медицинских наук NIH.