Как клетки определяют время для деления? Новое исследование находит связь между делением и скоростью роста
Долгое время в биологии оставался открытым вопрос: как клетки определяют, когда им следует переходить к следующей фазе клеточного цикла? У простых организмов, например дрожжей, клетки делятся, достигнув определённого размера. Однако проверить, верно ли это для клеток млекопитающих, было сложно, отчасти из-за отсутствия точных методов измерения их роста во времени.
Теперь команда исследователей из MIT и Гарвардской медицинской школы (HMS), точно измерив скорость роста отдельных клеток, смогла ответить на этот фундаментальный вопрос. В статье, опубликованной 5 августа в онлайн-издании Nature Methods, учёные сообщают, что клетки млекопитающих делятся не при достижении критического размера, а когда их скорость роста достигает определённого порога.
Впервые наблюдать этот порог позволила методика, разработанная профессором MIT Скоттом Маналисом и его студентами в 2007 году для измерения массы отдельных клеток. В новом исследовании Маналис и его коллеги, измеряя массу клеток каждые 60 секунд на протяжении их жизни, смогли отследить рост и соотнести его со временем деления.
По словам Сунмина Сона, аспиранта лаборатории Маналиса и ведущего автора статьи, это открытие предлагает возможное объяснение того, как клетки определяют время для начала деления. «Клеткам проще измерить свою скорость роста, например, по скорости производства или деградации какого-либо вещества внутри клетки, в то время как точно измерить размер для них сложно», — говорит Сон.
Отслеживание клеток во времени
Оригинальная система взвешивания клеток Маналиса, известная как «резонатор с подвесным микро-каналом», прокачивает клетки (в жидкости) через микро-канал, проходящий по крошечному кремниевому кантилеверу. Этот кантилевер вибрирует в вакууме. Когда клетка проходит через канал, частота вибрации кантилевера меняется, и по этому изменению можно рассчитать её плавучую массу.
Для нового исследования система была переработана, чтобы появилась возможность удерживать клетки гораздо дольше. В исходной системе контроль над движением клеток в канале был ограничен; клетки могли теряться или становиться нежизнеспособными из-за накапливающегося напряжения сдвига при частом прохождении через микро-канал. В результате рост можно было отслеживать менее 30 минут.
Чтобы избежать этой проблемы, исследователи разработали способ точного контроля потока в системе, позволяющий останавливать клетку в любой точке обходного канала. Они также настроили поток для постоянного пополнения питательных веществ и удаления отходов. Теперь клетка проходит через систему только раз в 60 секунд и остаётся жизнеспособной на протяжении нескольких поколений.
Новая система также измеряет флуоресцентные сигналы от клетки в дополнение к её массе. Клетки запрограммированы на экспрессию флуоресцентных белков в различные моменты клеточного цикла, что позволяет связать информацию о цикле с ростом.
Клетка посвящает себя росту в фазе, называемой G1. Критический переход происходит, когда клетка вступает в S-фазу, во время которой ДНК реплицируется для подготовки к делению. Исследователи обнаружили, что скорость роста быстро увеличивается во время фазы G1. Эта скорость сильно варьируется от клетки к клетке в G1, но сходится по мере приближения клеток к S-фазе. После завершения перехода в S-фазу скорости роста снова расходятся.
Опираясь на возможность новой системы точно контролировать условия среды внутри канала, исследователи также могут очень быстро изменять эти условия, что позволяет отслеживать реакцию клеток на такие возмущения.
«Сейчас мы измеряем реакцию клеток на коротких временных масштабах на различные воздействия, например, истощение определённого питательного вещества или добавление лекарства, — говорит Маналис. — Мы считаем, что это может дать новый тип информации, недоступный при использовании обычных пролиферативных анализов».