'Клеточный компас' направляет деление стволовых клеток у растений

Стволовые клетки, ответственные за создание и поддержание биологических тканей, выполняют сложную задачу. Они должны точно делиться, чтобы образовывать новые специализированные клетки, которым уготованы разные судьбы, несмотря на идентичную ДНК. Очевидный вопрос: как клетки делятся нужным образом, чтобы создать здоровую ткань? Этим вопросом задавался Эндрю Мурояма, постдок из лаборатории биолога Стэнфордского университета Доминик Бергманн, наблюдая за развитием листьев Arabidopsis thaliana. Среди тысяч клеток под микроскопом он заметил, что ядро — содержащий ДНК контрольный центр клетки — двигалось неожиданным и странно целенаправленным образом во время деления стволовых клеток.

Предыдущие исследования лаборатории Бергманн выявили набор белков, которые перемещаются на одну сторону стволовой клетки перед делением. Эти белки, казалось, регулировали процесс деления, но механизмы контроля были неизвестны. Оказалось, что движущиеся ядра — ключ к разгадке.

В статье, опубликованной 17 сентября в Current Biology, исследователи сообщают, что эти асимметрично распределённые белки действуют как компас внутри клетки, указывая ядру, куда двигаться. Положение ядра, в свою очередь, контролирует паттерны деления стволовых клеток, которые в итоге создают крошечные поры, устьица, по всей поверхности листа. Поскольку устьица позволяют листьям балансировать уровни воды и углекислого газа, выравнивание ядра с помощью этих миниатюрных белковых компасов в отдельных стволовых клетках потенциально может влиять на функцию листа.

Следуя за движущимся ядром

Лаборатория Бергманн превращает Arabidopsis в флуоресцентное искусство под микроскопом. Ярко-зелёные ядра движутся внутри фиолетовых клеточных мембран. При внимательном наблюдении можно увидеть обычный процесс асимметричного деления: когда стволовая клетка Arabidopsis делится впервые, ядро перемещается на одну сторону. В результате дочерние клетки будут разного размера и будут граничить с разными соседями. В конечном итоге этим двум клеткам уготованы разные роли в сложном конечном узоре листа.

Но если продолжить наблюдение, ядро одной из дочерних клеток снова движется, устремляясь к противоположной стороне клетки, где произойдёт второе асимметричное деление.

Чтобы понять увиденное, исследователи провели несколько экспериментов, чтобы разделить различные факторы, влияющие на клетки во время деления.

Исследователи уже знали о клеточном компасе, но не были уверены, что он направляет и как работает. Отталкивая ядро перед первым делением, компас создаёт первый набор асимметричных дочерних клеток. Но притягивая ядро сразу после этого, компас может создать новый набор асимметричных дочерних клеток с другой стороны.

«Растение не хочет генерировать новые стволовые клетки прямо рядом с только что созданными. Оно хочет распределить их, поэтому перемещение ядра сразу после деления готовит его к успеху при создании второго набора дочерних клеток», — объяснил Мурояма.

Исследователи также обнаружили белок, который помогает движению ядра — своего рода мотор, направляющий ядро в нужную сторону. Его отключение предотвратило вторую миграцию ядра, и в результате листья имели меньше устьиц, чем обычно, что могло ухудшить способность растения регулировать содержание воды и поглощать CO₂.

Было также известно, что клетки поверхности листа общаются друг с другом, чтобы регулировать деление стволовых клеток. Чтобы выяснить, что доминирует — клеточный компас или межклеточная коммуникация, — исследователи модифицировали клетки так, чтобы они не могли получать сигналы от соседей, и наблюдали за движением ядер. Без этой коммуникации компас появлялся в неправильном месте внутри клетки, но всё равно мог двигать ядро предсказуемым образом. Это показало, что в случае стволовых клеток листа ядро будет следовать инструкциям клеточного компаса, даже если они ведут его не туда.

Доказав свою неправоту

Эти открытия указывают на иной способ изучения стволовых клеток, который фокусируется не исключительно на пути одной клетки. В некоторых системах отдельные деления, которые, казалось бы, определяют жизнь клетки, могут быть значимы только в контексте того, что происходит дальше и по соседству.

«Оглядываясь на 10 лет назад на то, что мы считали важным для стволовой клетки, мы практически доказали свою неправоту, — сказала Бергманн. — Мы были так сосредоточены на деталях того, что делала одна стволовая клетка в определённое время и месте. Теперь мы понимаем, что важны история и сообщество. Мы должны смотреть на стволовую клетку, её мать, бабушку и её соседей».