Обнаружен "триггерный" переключатель, управляющий ключевым клеточным процессом

Для роста и развития организмам необходимо производить ткани с различными функциями, каждая из которых состоит из схожих клеток. Эти разные ткани происходят из стволовых клеток. Асимметричное клеточное деление — процесс, при котором стволовая клетка делится, создавая новые типы клеток, — критически важен для развития организма. У растений, чьи клетки не могут мигрировать, место, где происходит это деление, также должно быть ключевым для правильного формирования тканей.

В исследовании, опубликованном в журнале Cell, сотрудничество теоретических биологов и экспериментаторов под руководством Стэна Маре из Центра Джона Иннеса и Бена Схереса из Утрехтского университета (Нидерланды) раскрыло молекулярный переключатель. Он интегрирует сигналы, чтобы обеспечить асимметричные деления в нужном месте и в нужное время для формирования слоев специализированной ткани в корне.

«С помощью цикла "эксперимент-моделирование" мы выяснили, как стволовые клетки корня Arabidopsis регулируют асимметричные деления, порождающие две новые клеточные идентичности в правильной позиции», — сказал доктор Стэн Маре. — «Мы разобрали лежащую в основе молекулярную схему в каждой клетке и обнаружили, что она демонстрирует высоко надежное бистабильное поведение благодаря двум петлям положительной обратной связи с участием белков SHR, SCR и связанных с клеточным циклом игроков RBR и CYCLD6;1. Другими словами, мы показали, что схема ведет себя как переключатель».

Бистабильные системы, которые могут существовать только в одном из двух состояний, встречаются в природе там, где требуется жесткий контроль. Петли положительной обратной связи — их общая черта, так как они помогают осуществить быстрый переход из одного состояния в другое.

Обнаружив этот переключатель, следующим шагом было понять, как растение включает и выключает его, чтобы только правильные стволовые клетки делились асимметрично и в нужном для развития растения месте.

Для этого доктор Стэн Маре вместе с доктором Вероникой Гринейзен создали математическую модель — in silico версию корня и молекулярной схемы переключателя.

Физическое место асимметричного деления зависит от взаимодействия растительного гормона ауксина и белка SHR. Предыдущая работа доктора Гринейзен показала, как ауксин накапливается в кончике корня благодаря механизму рефлюкс-петли, создаваемой полярно локализованными переносчиками выноса ауксина в клетках. Концентрация ауксина снижается по мере удаления от кончика, образуя градиент с пиком в стволовых клетках. Белок SHR создает аналогичный градиент, но перпендикулярный градиенту ауксина, расходящийся наружу.

«Мы обнаружили, что клетки, которые проходят эти особые деления, расположены прямо на пересечении этих двух градиентов», — сказала доктор Гринейзен.

Клеточные деления также запускают деградацию белка, которая снова выключает переключатель. Это необходимо для предотвращения неконтролируемого развития.

«Найденный нами механизм, основанный на молекулярных и генетических взаимодействиях в пространственном контексте корня, очень напоминает триггерную схему, известную в электронике», — сказала доктор Гринейзен.

Триггерные схемы обеспечивают надежный способ интеграции сигналов для переключения между двумя определенными состояниями. Возможно, аналогичные молекулярные схемы лежат в основе других важных клеточных процессов.