Плоские черви обходятся без центросом, раскрывая архитектуру человеческого центриоли

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Института медицинских исследований Стоуэрс обнаружили, что планарии — крошечные плоские черви, известные своими регенеративными способностями, — полностью лишены центросом. Эти клеточные структуры организуют сеть микротрубочек, разделяющих хромосомы во время деления клетки.

Это уникальная и неожиданная характеристика, подробно описанная в выпуске Science Express от 5 января 2012 года, позволила не только идентифицировать большой набор консервативных белков, необходимых для сборки центриолей в человеческих клетках, но и указала на то, что центросомы, вероятно, сохранились у других видов животных для координации специфических процессов развития, а не клеточных функций, таких как деление.

«Нас всех удивило, что планарии могут избавиться от центросом, не затрагивая свой регенеративный потенциал», — говорит Алехандро Санчес Альварадо, доктор философии. — «Это предполагает, что эволюционное давление для поддержания центросом может иметь очень мало общего с самим клеточным делением».

Центросомы состоят из двух центриолей, окружённых аморфной массой белков. Каждая центриоль состоит из девяти триплетов микротрубочек. Хотя молекулярный состав центросомы определён у человека и мух, функция большинства компонентов остаётся неясной.

Ситуацию осложняет двойная роль центриолей: помимо формирования ядра центросом, они служат точками заякоривания ресничек — крошечных выступов на поверхности клеток, необходимых для движения жидкостей, восприятия и сигнализации. Многие болезни связаны с дефектами в образовании ресничек.

Планарии используют ресничные клетки для движения. «Тот факт, что центриоли сохранились в этом организме, а центросомы были утрачены, действительно говорит о том, что центриоли эволюционировали в первую очередь для создания ресничек, а не для своих митотических функций», — говорит старший автор Уоллес Маршалл, доктор философии.

Чтобы определить, какие компоненты центросомы необходимы для сборки её центриолярного ядра, Жюльетт Азимзаде, постдок в лаборатории Маршалла, объединила усилия с Санчесом Альварадо, используя лёгкость генетических манипуляций с планариями.

Когда она «выключила» два гомолога генов, необходимых для сборки центросом у других видов, образование ресничек было нарушено. «Но, к удивлению, у этих животных не было дефектов регенерации», — говорит Азимзаде.

Регенерация целых животных из почти любой части тела требует пролиферации необластов — популяции тотипотентных стволовых клеток, единственных, которые делятся. «Мы думали, что когда мы заглушим эти гены, деление клеток будет подавлено... Но количество делящихся клеток в норме», — объясняет Санчес Альварадо.

При тщательном изучении нормальных планарий с помощью иммунофлуоресценции и просвечивающей электронной микроскопии, Азимзаде не смогла обнаружить центриоли ни в одном типе клеток, кроме ресничных. «Наши результаты указывают, что планарии не собирают центросомы. Отсутствие центриолей в делящихся клетках подразумевает, что они не используют путь дупликации центриолей, лежащий в основе воспроизводства центросом у других животных, а собирают центриоли de novo только во время дифференцировки ресничных клеток».

Исходя из этого, исследователи предсказали, что белки, специфично необходимые для дупликации и функции центросом, должны были быть элиминированы из генома планарий в ходе эволюции. Поиск гомологов известных человеческих компонентов центросомы показал, что 8 из 55 сигнатурных белков центросомы, присутствовавших у последнего общего предка, отсутствуют в геноме планарии.

С другой стороны, компоненты человеческой центросомы, гомологи которых всё ещё есть у планарий, должны быть необходимы либо для сборки центриолей de novo, либо для образования ресничек. Когда Азимзаде систематически «выключала» эти гены, большинство из них приводило к дефектам подвижности, основанной на работе ресничек.

«Тот факт, что мы смогли использовать планарий для определения функций человеческих генов, которые ранее не имели известных функций, действительно подчёркивает важность эволюционной и биологии развития в изучении клеточных механизмов», — говорит Санчес Альварадо.