Ориентация белковых паттернов
В ходе эмбриогенеза у нематоды Caenorhabditis elegans первое деление клетки происходит поперек длинной оси оплодотворенной яйцеклетки. В новом исследовании биофизики из LMU показали, как эта ось надежно выбирается.
Многие фундаментальные биологические процессы зависят от формирования паттернов распределения специфических белков внутри клеток. К примерам относятся локализация плоскости деления перед клеточным делением и направление роста тканей. Парадигматическим примером клеточной поляризации является первое деление клетки во время эмбриогенеза у нематоды C. elegans — хорошо изученного модельного организма в биологии развития. В этой системе местоположение деления клетки определяется так называемыми PAR-белками (partitioning defective proteins). Поскольку это критически важно для последующего развития, процесс должен быть строго контролируемым. Биофизик LMU Эрвин Фрей и его исследовательская группа выявили два ключевых механизма, способствующих надежной ориентации поляризованного паттерна PAR-белков вдоль длинной оси оплодотворенной яйцеклетки. Новые результаты опубликованы в онлайн-журнале Nature Communications.
Первое деление удлиненной яйцеклетки C. elegans асимметрично и определяет будущую переднюю и заднюю стороны червя. Эта передне-задняя полярность эмбриона определяется связывающимися с мембраной PAR-белками, которые делятся на две подгруппы: aPARs (передние) и pPARs (задние). В неоплодотворенной яйцеклетке все PAR-белки свободно диффундируют и равномерно распределены по клетке. В принципе, все они могли бы связаться с мембраной в любой точке. Из-за взаимного антагонизма между aPARs и pPARs каждая группа белков вскоре формирует на мембране домен, исключающий другую группу. «Мы используем математические модели и численное моделирование, чтобы исследовать механизмы, лежащие в основе формирования белковых паттернов в клетках. В этой работе мы проанализировали, что определяет ориентацию паттерна aPAR-pPAR, а именно, что выравнивает поляризованный паттерн с длинной осью яйцеклетки», — говорит Рафаэла Гесселе, аспирант в команде Фрея и ведущий автор статьи.
Каждая группа PARs может связываться с мембраной и антагонистически удалять другую группу белков с мембраны путем фосфорилирования. Среди aPARs белок A1 действует как линкер для колокализации A2 на мембране. В цитозоле фосфорилированные белки дефосфорилируются только после некоторой задержки, что позволяет им диффундировать от точки отсоединения перед повторным связыванием. Моделирование показало, что динамика циклирования между фосфорилированным и дефосфорилированным состояниями aPARs и pPARs является критическим фактором в процессе выбора оси при инициации паттерна. Таким образом, средняя продолжительность задержки между диссоциацией с мембраны и восстановлением сродства к связыванию — жизненно важный параметр для определения первоначальной ориентации белкового паттерна вдоль длинной оси.
Исследование показывает, что эллипсоидная геометрия оплодотворенной яйцеклетки влияет на процесс формирования паттерна. Из-за разницы в кривизне недавно отсоединившиеся и свободно диффундирующие белки с большей вероятностью повторно встретят мембрану на полюсах, чем в других частях клетки. «Антагонистические белки исключают друг друга пропорционально их концентрации на мембране, что стабилизирует домены. В зависимости от соответствующих времен жизни фосфорилированных форм белковые домены сначала локализуются в средней области клетки или на ее полюсах; однако окончательная поляризация в трехмерном эмбрионе всегда выровнена с длинной осью», — говорит Гесселе.
Выбор поляризации вдоль длинной оси в эллипсоидном эмбрионе дополнительно благоприятствуется тем, что площадь переходной зоны между доменами aPAR и pPAR, в которой две группы белков взаимно исключают друг друга с мембраны, минимизируется, что снижает энергетические затраты. Из-за удлиненной геометрии оплодотворенной яйцеклетки это лучше всего достигается, если каждый домен ограничен одним полюсом. «Клеточная поляризация играет решающую роль в очень многих биологических системах, — отмечает Фрей. — Наши результаты дают новое понимание механизмов, которые клетки используют для регуляции этого фундаментального процесса».