Асинхронная фаза клеточного цикла — ключ к критической стадии эмбрионального развития животных

Деление материнской клетки с образованием двух идентичных дочерних клеток известно как митоз. Он лежит в основе раннего эмбрионального развития асцидий, когда оно меняется от высокой синхронности к отчетливой пространственной картине, сопровождающей формирование нервной трубки. Однако исследователи не понимали, что контролирует этот переключение во времени митоза. Недавнее исследование Университета Цукубы показывает, что это изменение представляет собой начало митотической волны, которая проходит от задней к передней части эмбриона после потери асинхронности фазы G2 клеточного цикла, которая до сих пор маскировала асинхронную фазу синтеза (S-фазу). Исследование опубликовано в Developmental Cell.

Эмбрионы животных на ранних стадиях развития быстро увеличивают количество клеток за счёт быстрых, последовательных раундов клеточного деления, которые включают синтез ДНК и митоз без фаз G1 и G2, обычно наблюдаемых в эукариотическом делении. Эти фазы появляются в клеточных циклах после определённого числа делений. На этой стадии переходы между G1 и S, а также G2 и M контролируются белками клеточного цикла, такими как циклины, и ферментом Cdc25.

Простая нервная система асцидий, морских хордовых, часто используется для моделирования эмбрионального развития сложных позвоночных. У асцидий наружный слой эмбриона (эктодерма) формирует нервную трубку, которая соединяется по принципу «молнии» сзади наперёд. Этот процесс соответствует 11-му клеточному циклу эпидермальных клеток, который имеет удлинённую фазу G2, регулируемую сниженной экспрессией гена, кодирующего Cdc25.

Чтобы понять, как достигается пространственная картина митоза, исследователи флуоресцентно пометили белок репликации ДНК для анализа времени митоза с помощью покадровой съёмки. Сосредоточившись на различиях между 10-м и 11-м клеточными циклами, они наблюдали временный компенсаторный механизм в фазе G2. «В 11-м клеточном цикле длина S-фазы увеличивается в направлении от задней к передней части, что отвечает за наблюдаемую пространственную картину 11-го митоза», — объясняет автор-корреспондент Ёсукэ Огура. «Разница в длине S-фазы идентична в 10-м клеточном цикле, но здесь длина фазы G2 прогрессивно увеличивается в направлении спереди назад, компенсируя и маскируя асинхронность S-фазы. Эта компенсация (или маскировка) необходима для развития, поскольку эмбрионы не могут сформировать правильную нервную трубку, когда компенсацию искусственно убирали».

В ходе ряда экспериментов исследователи также показали, что синхронность 10-го митоза требует асимметричной экспрессии гена cdc25 от передней к задней части эмбриона, которая сама контролируется белками GATA и AP-2, регулирующими экспрессию генов. «Потеря экспрессии GATA и AP-2 снижает транскрипцию гена cdc25», — говорит соавтор Ясунори Сасакура. «Это устраняет компенсаторную взаимосвязь между длительностями фаз S и G2». Без этого противодействующего механизма 11-е митотическое деление происходит в виде волны от задней к передней части, которая координируется с морфогенезом.