Как клетки учатся «считать»

Одно из чудес клеточной биологии — её симметрия. Клетки млекопитающих имеют одно ядро и одну клеточную мембрану, а у большинства людей — 23 пары хромосом. Триллионы клеток достигают этой однородности, но некоторые последовательно нарушают правило для выполнения уникальных функций. Учёные из Johns Hopkins Medicine выяснили, как формируются эти «исключения».

В экспериментах с генетически модифицированными мышами исследовательская группа опровергла механизм, который, как долго считалось, контролирует количество ресничек (волосовидных структур) на внешней стороне каждой клетки млекопитающих. Они пришли к выводу, что контроль за числом ресничек может зависеть от процесса, более характерного для немлекопитающих.

Эксперименты, описанные 2 декабря в Nature Cell Biology под руководством Эндрю Холланда, Ph.D., могут в перспективе помочь в изучении болезней человека, связанных с функцией ресничек (респираторные инфекции, бесплодие, гидроцефалия).

Почти все человеческие клетки имеют хотя бы одну ресничку для восприятия сигналов. Однако некоторые специализированные типы клеток (например, в дыхательных и репродуктивных путях) имеют сотни ресничек для движения жидкостей.

Основной вопрос исследования: как эти многожгутиковые клетки становятся настолько отличными от остальных? Большинство клеток формируют ровно одну ресничку, а эти специализированные — сотни.

Учёные изучили основание ресничек — центриоли. В одножгутиковых клетках центриоли дублируются перед делением клетки, и самая старая из пары формирует основание реснички. В многожгутиковых клетках появляются уникальные структуры — дейтерозомы, которые действуют как «копировальный аппарат» для производства десятков или сотен центриолей.

Долгое время считалось, что дейтерозомы центральны для определения количества формируемых центриолей и ресничек. Чтобы проверить это, команда создала мышиную модель, лишённую гена, создающего дейтерозомы, и подсчитала реснички в тканях.

Ключевой результат: у генетически модифицированных мышей было такое же количество ресничек на клетках (например, 200–300 в трахее), как и у мышей с дейтерозомами. Клетки без дейтерозом производили новые центриоли с той же скоростью.

Затем учёные создали клетки мышей, лишённые и дейтерозом, и родительских центриолей. Оказалось, что даже это не повлияло на итоговое число ресничек: большинство клеток в обеих группах формировали от 50 до 90 ресничек.

«Это открытие меняет догму о движущей силе сборки центриолей. Вместо необходимости платформы для роста центриоли могут создаваться спонтанно», — объясняет Холланд.

Такой de novo механизм генерации центриолей не нов для животного мира (например, он есть у планарий), но необычен для млекопитающих.

В дальнейших экспериментах все спонтанно созданные центриоли собирались в области клетки, богатой фиброгранулярным материалом — белковыми компонентами, необходимыми для построения центриоли.

Учёный предполагает, что именно белки в этой малоизученной области клетки содержат элементы, необходимые для построения центриолей и контроля количества ресничек. Всё остальное, включая дейтерозомы и даже родительские центриоли, «не строго необходимо».

«Мы считаем, что дейтерозомы функционируют, чтобы снять нагрузку с родительских центриолей, освобождая их для выполнения других функций», — говорит Холланд.

Понимание механизмов, ограничивающих количество ресничек, может помочь в поиске мишеней для лекарств против связанных с ресничками расстройств.