Как клетки приобретают свою форму? Обнаружен новый механизм

Экспериментальные биологи из лаборатории Мартин в Университете Лозанны под руководством профессора Софи Мартин работают со светом для активации процессов в генетически модифицированных клетках дрожжей Schizosaccharomyces pombe. Во время таких экспериментов они заметили, что определённый белок, введённый в клетку, смещается из зоны роста клетки. Чтобы выяснить причину, они обратились к Димитриосу Вавилонису, руководителю группы в Департаменте физики Университета Лихай.

«Мы создали вычислительную модель, которая связала "рост" клеточной мембраны с движением белка, а также смоделировали несколько других гипотез, возникших после обсуждений с коллегами», — говорит теоретический физик Вавилонис.

Это междисциплинарное сотрудничество объединило моделирование и эксперименты для описания ранее неизвестного биологического процесса. Команды обнаружили и охарактеризовали новый механизм, который простая дрожжевая клетка использует для приобретения формы. Результаты описаны в статье «Паттернирование клеток потоками плазматической мембраны, индуцированными секрецией» в последнем выпуске журнала Science Advances.

Когда клетки движутся или растут, они должны добавлять новую мембрану в зоны роста, объясняет Вавилонис. Процесс доставки мембраны называется экзоцитозом. Клетки также должны доставлять эту мембрану в определённое место, чтобы поддерживать направленность («поляризацию») или расти согласованно.

«Мы показали, что эти процессы связаны: локальный избыток экзоцитоза заставляет некоторые белки, прикреплённые к мембране, перемещаться ("течь") прочь от зоны роста, — говорит Вавилонис. — Эти удаляющиеся белки маркируют нерастущую область клетки, создавая самоподдерживающийся паттерн, который приводит к трубчатой форме этих дрожжевых клеток».

Впервые идентифицирован механизм клеточного паттернирования — процесса, благодаря которому клетки приобретают пространственную неоднородность на своих поверхностях.

Моделирование группы Вавилониса, выполненное постдоком Дэвидом Рутковски, привело к экспериментальным тестам, которые затем провела группа Мартин. Вавилонис и Рутковски проанализировали результаты экспериментов и подтвердили, что распределение белков, замеченное в моделировании, соответствует данным, полученным из экспериментов на живых клетках.

Работа может представлять особый интерес для исследователей, изучающих процессы, связанные с ростом клеток и мембранным трафиком, например, нейробиологов и учёных, исследующих процессы в раковых клетках.

«Наша работа показывает, что паттерны в биологических системах, как правило, не статичны, — говорит Рутковски. — Паттерны устанавливаются через физические процессы, включающие непрерывный поток и обновление».

«Мы смогли подтвердить модель паттернирования посредством потока мембраны, — сказал Вавилонис. — В итоге группа Мартин смогла использовать эти знания, чтобы создать клетки, форму которых можно контролировать с помощью света».