Исследование раскрывает, как клетка перемешивает митохондрии перед делением
В знаковом исследовании команда под руководством учёных из Perelman School of Medicine обнаружила и засняла на видео молекулярные детали того, как клетка непосредственно перед делением надвое перемешивает важные внутренние компоненты — митохондрии — чтобы равномерно распределить их между двумя дочерними клетками.
Это открытие, опубликованное в Nature, является в первую очередь достижением фундаментальной клеточной биологии, но данное направление исследований в будущем может помочь учёным понять целый ряд связанных с митохондриями и делением клеток заболеваний — от рака до болезней Альцгеймера и Паркинсона.
Митохондрии — это крошечные кислородные реакторы, критически важные для производства энергии в клетках. Команда из Penn Medicine обнаружила, что белок актин, известный своей способностью собираться в филаменты, выполняющие различные структурные роли в клетках, также имеет важную задачу — обеспечивать равномерное распределение митохондрий перед клеточным делением. Благодаря этой системе две новые клетки, образовавшиеся в результате деления, получат примерно одинаковую массу и качество этих критически важных производителей энергии.
«Нам удалось наблюдать и снять на видео различные процессы, с помощью которых актиновые филаменты перемешивают митохондрии. Самый необычный из них включал быстрое образование актиновых "хвостов кометы" на некоторых митохондриях, которые хаотично propel их внутри клетки», — сказала старший автор исследования Эрика Хольцбаур, доктор философии.
Клеточное деление (митоз) — одна из базовых черт живых организмов, но оно включает в себя деликатный и сложный набор манёвров. Делищаяся клетка («материнская») должна обеспечить наличие двух идентичных копий своего генома — по одной для каждой дочерней клетки. Она также должна равномерно распределить другие ключевые клеточные компоненты.
Митохондрии, количество которых может варьироваться от нескольких штук до десятков тысяч на клетку (в зависимости от типа клетки), особенно важно перемешать равномерно. Они критичны для здоровья клетки и содержат свои собственные небольшие ДНК-геномы — новые митохондрии не могут быть произведены в клетке, кроме как путём деления митохондрий, унаследованных от материнской клетки.
Хольцбаур и её команда стремились лучше понять, как происходит перемешивание митохондрий во время митоза. Они сосредоточились на актине. В исследовании команда использовала передовые методы микроскопии, чтобы выявить трёхмерную сеть толстых актиновых «кабелей» внутри клеток непосредственно перед делением. Эта решётчатая структура заставляет митохондрии равномерно распределяться в пространстве. Команда обнаружила, что при разрушении этих актиновых кабелей с помощью специального токсина равномерное распределение митохондрий нарушалось, и дочерние клетки получали их неравное количество.
Неожиданно исследователи наблюдали другой, ещё более заметный актин-зависимый процесс, работающий внутри делящейся клетки для равномерного распределения митохондрий. Они увидели и засняли облака актиновых филаментов, движущихся вместе волнообразно вокруг клеточного ядра. Эти актиновые облака, как выяснилось, окружают отдельные митохондрии и, по-видимому, обездвиживают их — хотя в некоторых случаях актиновые филаменты внезапно собираются на митохондриях, образуя длинные «хвосты кометы», которые перемещают их на значительные расстояния внутри клетки.
Хольцбаур и её коллеги пришли к выводу, что эти вращающиеся облака и хвосты кометы функционируют для случайного перемещения митохондрий, обеспечивая более равномерное распределение их качества. Например, группа повреждённых митохондрий, изначально сконцентрированных в одной части клетки, в результате этого процесса окажется более равномерно распределённой по клетке перед делением.
«Это похоже на тасование колоды карт, рассыпая их по столу. Таким образом, каждая дочерняя клетка получит соответствующую долю не только с точки зрения массы или количества митохондрий, но и с точки зрения их генетического и метаболического разнообразия», — пояснила Хольцбаур.
Она добавляет, что актиновые «хвосты кометы» такого типа наблюдались у вторгающихся в клетки бактерий Listeria более 30 лет назад, но до сих пор никогда не были замечены как часть обычного процесса в клетках животных.
В настоящее время Хольцбаур и её коллеги продолжают исследования, изучая, как контролируется этот процесс перемешивания митохондрий в клетках и что происходит с организмами, когда этот процесс нарушен.