Исследование решает классическую проблему: как клетки определяют свой размер

Ученые годами пытались понять, как клетки измеряют свой размер. Размер клетки критически важен — он регулирует деление клеток в растущем организме. Когда микроскопические структуры удваиваются в размере, они делятся. Одна клетка превращается в две, две — в четыре. Процесс повторяется, пока у организма не будет достаточно клеток, а затем останавливается.

Полная цепочка событий, заставляющая клеточное деление остановиться в нужный момент, долгое время оставалась загадкой. Помимо фундаментального научного вопроса, эта проблема связана с серьезными медицинскими вызовами: клетки, которые перестают делиться слишком рано, могут вызывать дефекты развития, а неконтролируемый рост клеток может привести к раку или другим нарушениям.

Исследование из Дартмута, опубликованное в Current Biology, предлагает новый ответ на этот вопрос, подойдя к проблеме с другой стороны. Ученые сосредоточились на крупных клетках (яйцеклетках), которые уменьшают свой размер путем деления, пока не образуется достаточное количество клеток для перехода к следующим стадиям развития.

«Ранний эмбрион — идеальное место для изучения контроля размера клеток, — сказала Аманда Амодео, доцент биологии в Дартмуте и руководитель исследования. — Клетки, с которыми мы работаем, — это яйцеклетки, видимые глазом. Им не нужно расти перед делением, что позволяет нам увидеть связи, скрытые в клетках взрослого организма».

Согласно исследованию, определенное количество белка гистона H3 загружается в эмбрион до оплодотворения и расходуется по мере деления эмбриона на всё большее число клеток. По мере того как гистоны потребляются для размещения растущего числа ядер, они высвобождают фермент Chk1, который связывается с другим белком, CDC25, чтобы остановить размножение клеток.

Механизм относительно прост: когда в растущей клетке заканчивается гистон H3, стоп-фермент Chk1 находит и деактивирует белок CDC25, запускающий прогрессию клеточного цикла.

«Ключом к нашему результату стала гипотеза, что необычно большое количество гистона H3 может подавлять стоп-фермент, — сказал Юки Шиндо, постдокторант в Дартмуте и первый автор статьи. — Как только мы это заметили, мы смогли проверить эту идею в нашей "живой пробирке" — яйцеклетках плодовой мушки».

Новое исследование опирается на более ранние работы, обнаружившие существование биологической константы между размером генома и размером клетки. Исследователи знали, что, как только достигается точка баланса, клетки перестают делиться, но не понимали, как клетки могут определять это соотношение.

Чтобы найти ответ, команда изучала яйцеклетки плодовой мушки. Их большой размер по сравнению с другими клетками позволил взглянуть на клеточный цикл под новым углом.

«У нас были все части головоломки годами, но мы не могли сложить их вместе, — сказала Амодео. — Как только мы поняли, что H3 взаимодействует напрямую и с ДНК, и с Chk1, работа пошла очень быстро. Всё сработало с первого раза, что является хорошим признаком правильности гипотезы».

Поскольку те же молекулы, контролирующие деление клеток — гистон H3, CDC25 и Chk1 — идентифицированы при раке и других заболеваниях, это открытие может помочь исследователям, ищущим ответы на вопросы, связанные с развитием и болезнями.

«Изначально нас интересовал базовый биологический вопрос о том, как клетки растущей яйцеклетки принимают решение остановиться в правильный момент, — сказал Шиндо. — Теперь мы рады, что наши выводы могут иметь важное значение и в более широком контексте, например, для болезней».