Учёные впервые наблюдали процесс формирования клеточной формы

Исследователи из Института науки Карнеги совместно с коллегами из Нараского института науки и технологий впервые наблюдали фундаментальный процесс клеточной организации в живых растительных клетках: зарождение микротрубочек. Они изучали рекрутинг и активность отдельных белковых комплексов, создающих клеточную сеть — микротрубочковый цитоскелет, который обеспечивает структуру и, в конечном счёте, форму клетки. Эти фундаментальные результаты могут быть важны для сельскохозяйственных исследований и опубликованы в онлайн-издании Nature Cell Biology от 10 октября 2010 года.

Все растительные и животные клетки полагаются на сложный массив молекулярных стержней, построенных из белка тубулина. Эти стержни, называемые микротрубочками, организуют клетку и генерируют силы, необходимые для поддержания формы клетки, её движения и, что важно, деления клетки. Для выполнения этих задач микротрубочки должны быть организованы в определённые конфигурации. Животные клетки разделяют свои хромосомы во время деления, организуя сеть микротрубочек из центриолей. Большая загадка заключается в том, как растения, у которых нет центриолей, организуют свою микротрубочковую сеть. Понимание этих механизмов молекулярной организации — главная цель клеточной биологии.

Как объяснил соавтор Дэвид Эрхардт из Департамента биологии растений Карнеги: «Во многих клетках массивы микротрубочек создаются с помощью централизованного тела, называемого центросомой. Центросомальные массивы были в фокусе исследований десятилетиями, и сейчас многое понятно о том, как эти массивы создаются и организуются центросомой. Однако многие дифференцированные клетки животных и клетки цветковых растений имеют массивы, созданные независимо от центросомы. Фактически, цветковые растения вообще не имеют центросом. Хотя эти нецентросомальные массивы распространены в природе, они изучены меньше, и их механизмы организации остаются в значительной степени загадочными».

Лаборатория Эрхардта ранее обнаружила, что отдельные микротрубочки в растительных клеточных массивах зарождаются во многих местах вдоль внутренней стороны клеточной мембраны, где они отсоединяются от мест зарождения и движутся вдоль мембраны, взаимодействуя с другими микротрубочками. Основной проблемой для исследования молекулярной основы этих процессов была визуализация белковых комплексов, которые дают начало новым полимерам микротрубочек.

Группы Эрхардта и Хашимото справились с этой задачей, пометив компонент этих комплексов, известных как нуклеирующие комплексы, несколькими копиями флуоресцентного белка, полученного из медузы. Когда этот меченый белок вводили в растительные клетки и визуализировали с помощью высокочувствительной конфокальной микроскопии с вращающимся диском, исследователи смогли наблюдать, что происходит во время построения микротрубочкового массива.

Эрхардт продолжил: «В центросомальных массивах эти нуклеирующие комплексы рекрутируются к центросоме, где они порождают звездообразный массив, центрированный рядом с ядром. Напротив, в изучаемых нами клетках эти комплексы были распределены по клеточной мембране и в основном располагались вдоль сторон других микротрубочек, и эта ассоциация коррелировала с их активностью. Таким образом, микротрубочки, по-видимому, важны для локализации и регуляции своих собственных белков формирования. Кроме того, дочерние микротрубочки создавались либо под определённым углом к материнскому полимеру, либо параллельно ему. Этот выбор угла может играть роль либо в создании новых организационных состояний, либо в поддержании существующего».

Исследователи наблюдали, что формирующие комплексы часто не оставались на месте после создания новых микротрубочек, а часто уходили, предположительно, чтобы пройти новый цикл создания микротрубочек в новом месте. Учёные выдвинули гипотезу, что освобождение комплексов от материнских микротрубочек может быть связано с механизмом отсоединения дочерних микротрубочек от мест их происхождения.

Чтобы исследовать эти вопросы, учёные ввели свой зонд в мутант, лишённый белка катанина (названного в честь японского слова «меч»), чья задача — разрезать микротрубочки на части. Учёты думали, что катанин может быть ответственен за отделение новых микротрубочек от их формирующих комплексов. Действительно, без белка-резчика дочерние микротрубочки полностью не могли отсоединиться от мест своего рождения, а меченые формирующие комплексы оставались у основания дочерней микротрубочки. Единственный раз, когда они видели уход формирующего комплекса у мутантов, был когда микротрубочка полностью деполимеризовалась — то есть происходил процесс, при котором большая молекула распадается на отдельные единицы. Когда это происходило, меченый комплекс также исчезал. Результаты указывают, что формирующие комплексы остаются ассоциированными с материнскими микротрубочками до тех пор, пока дочерняя микротрубочка не удаляется либо путём разрезания катанином, либо путём полной деполимеризации.

«Насколько нам известно, это исследование первым засвидетельствовало динамику отдельных процессов гамма-тубулинового комплекса, которые фундаментальны для каждого растения и животного», — отметил Эрхардт. — «Мы рассматриваем нашу растительную систему как модель для организации нецентросомальных массивов, которая также происходит во многих важных дифференцированных клетках животных. Хотя мы предполагаем, что некоторые молекулярные игроки могут быть разными, многие принципы могут быть схожи. То, что мы узнаем здесь, может помочь нам понять основные механизмы, лежащие в основе роста и развития сельскохозяйственных культур, и может иметь значение для понимания процесса приобретения формы клетки и функции клеток человека».