Группа биологов растений из Института трансформирующих биомолекул (ITbM) Университета Нагоя, Токийского университета, Института Грегора Менделя и Университета Кентукки сообщила в журнале Proceedings of the National Академии наук в связи с их открытием того, как яйцеклетки растений первоначально теряют свой скелетный рисунок при оплодотворении и реорганизуются двумя основными компонентами цитоскелета в клетке, микротрубочками (МТ) и актиновыми филаментами (F-актин). Благодаря визуализации живых клеток группа смогла визуализировать, как оплодотворенные яйцеклетки растений подвергаются асимметричному клеточному делению, которое отвечает за определение оси тела растения.
Цветковые растения образуют различные органы, такие как цветок, листья, корень и стебель, который развивается вдоль оси его тела. Поскольку многие растения приобретают цилиндрообразную форму, наиболее важной осью становится верхушечно-базальная (побег-корень), т. е. верхушечная (верхняя часть) развивается в побеги, содержащие цветки, стебли и листья, а базальная (нижняя часть) часть) врастает в корни. Оплодотворенная яйцеклетка (зигота), которая является источником растений, устанавливает ось тела растения с момента его первого клеточного деления.
Перед делением клетки содержимое зиготы распределяется неравномерно (поляризуется). Это приводит к неравному (асимметричному) делению клеток, образуя относительно маленькую клетку вверху и большую клетку внизу.
Хотя поляризация и асимметричное клеточное деление зигот с образованием оси тела являются обычными явлениями, наблюдаемыми у водорослей, мхов и цветковых растений, происхождение клеточной полярности и то, как происходит асимметричное клеточное деление, оставались загадкой вплоть до сейчас, - говорит Д. Минако Уэда, преподаватель ITbM Университета Нагоя и руководитель этого исследования. «Причина, по которой это было сложно, заключалась в том, что не было эффективного метода визуализации динамики клеточного деления с использованием живой зиготы, скрывающейся глубоко внутри растений», - продолжает она.
В 2015 году исследовательская группа доктора Дайсуке Курихары из Нагойского университета сообщила о методе визуализации роста живых эмбрионов на модельном растении Arabidopsis thaliana (Arabidopsis). Уэда, Курихара и их коллеги улучшили разрешение этого метода визуализации, чтобы иметь возможность наблюдать внутреннюю структуру клетки.
«Самая сложная часть этого исследования заключалась в том, чтобы определить подходящие маркеры для визуализации содержимого растительной клетки», - объясняет Уэда. «С помощью доктора Томокадзу Кавасима из Университета Кентукки и профессора Фредерика Бергера из Института Менделя мы попробовали различные комбинации цветных маркеров на основе зеленых флуоресцентных белков (GFP), чтобы создать контраст между различными компонентами внутри клетки. Юсуке Кимата, аспирант нашей группы, проводил эксперименты, чтобы наблюдать, что на самом деле происходит с яйцеклеткой после оплодотворения».
Группе впервые удалось визуализировать, как цитоскелет яйцеклеток растений разбирается после оплодотворения, а затем реорганизуется, создавая в клетке полярность, которая в конечном итоге приводит к асимметричному делению клеток. Клетки растений содержат два основных цитоскелета, то есть микротрубочки (МТ) и актиновые филаменты (F-актин), которые помогают клеткам сохранять свою форму, обеспечивают механистическую поддержку и позволяют клеткам делиться и двигаться. Уэда и Кимата использовали флуоресцентные маркеры МТ и F-актина, чтобы увидеть, как они изменяются до и после оплодотворения, и как эти два волокна играют роль в поляризации и асимметричном делении зиготы.
«В наших экспериментах по визуализации живых клеток мы наблюдали, что МТ, которые изначально были выровнены вдоль оси верх-низ неоплодотворенной яйцеклетки, распадаются при оплодотворении, что приводит к сморщиванию клетки», - описывает Уэда.«Примерно через 3 часа в верхней части зиготы появилась кольцевая структура, откуда появилась выпуклость, удлиняющая клетку. Эта кольцевая структура сохранялась, пока клетка удлинялась. Наконец, МТ собрались вокруг ядра примерно через 18 часов. и распределила хромосомы, что в конечном итоге привело к делению клеток примерно через 22 часа», - продолжает она. «Мы были очень взволнованы, когда увидели этот фильм, в котором зиготы ведут себя как растянутые японские рисовые лепешки, поскольку это событие не было похоже на то, что мы видели раньше».
Затем группа изучила динамику F-актина с помощью методов живой визуализации. Подобно МТ, первоначальная сборка F-актина в неоплодотворенной яйцеклетке была нарушена при оплодотворении.
«Что отличало F-актин, так это то, что после оплодотворения они выстраивались вдоль оси верх-низ и собирались в структуру колпачка на кончике клетки», - описывает Уэда. «Мы смогли наблюдать, что первоначальная сборка как МТ, так и F-актина нарушается при оплодотворении яйцеклетки, и растущая зигота постепенно выравнивает эти волокна по другому образцу, чем в яйцеклетке. Это первый случай визуализации в реальном времени события асимметричного клеточного деления, и мы смогли увидеть другие события, такие как удлинение клетки зиготы и миграция ядра».
Группе удалось не только визуализировать события поляризации зиготы и асимметричного клеточного деления в реальном времени, но и количественно оценить динамические паттерны цитоскелета (т. е. формирование кольцевой структуры и продольного массива МТ и F -актин соответственно). Эксперты по анализу изображений, доктор Такуми Хигаки и профессор Сейитиро Хасэдзава из Токийского университета, провели эти детальные количественные эксперименты.
Группа предположила, что МТ и F-актин играют разные роли в зиготе из-за их разного расположения в клетке. Чтобы исследовать их конкретную роль, они использовали ингибиторы каждого белка, чтобы увидеть их влияние на поляризацию зиготы и асимметричное деление клеток.
«Благодаря визуализации в реальном времени мы увидели, что ингибирование МТ препятствует удлинению зиготы, что приводит к формированию круглой и вздутой формы головки зиготы», - описывает Уэда.«С другой стороны, когда мы ингибировали F-актин, ядро не могло двигаться вверх и оставалось вблизи центра зиготы. В результате клеточное деление происходило на месте ядра, что приводило к почти симметричному клеточному делению. где сгенерированные ячейки были похожи по размеру."
Результаты группы показывают, что МТ ответственны за удлинение зиготы вдоль оси верх-низ, тогда как F-актин играет роль в перемещении ядра к верхней части зиготы, чтобы подготовить ее к асимметричному клеточное деление.
С помощью изображений живых клеток мы смогли показать, что поляризация клетки происходит после оплодотворения яйцеклетки, и как МТ, так и F-актин играют роль в индукции асимметричного деления клеток для формирования оси тела растения. - говорит Уэда. «Мы надеемся, что сможем найти точное происхождение того, что вызывает поляризацию, и компоненты, которые распределяются в клетке, визуализируя больше компонентов в зиготе растения. Мы предполагаем, что эта работа приведет к открытию того, как эволюционировали цветковые растения, чтобы сформировать их нынешнюю структуру и форму».