Механическая трещотка: новый механизм деления клеток
Ученые из группы Бругиса в кластере передовых исследований «Физика жизни» (PoL) Дрезденского технического университета обнаружили новый механизм, объясняющий, как ранние эмбриональные клетки могут делиться без формирования полного сократительного кольца, традиционно считавшегося необходимым для этого процесса.
Результаты, опубликованные в Nature, бросают вызов устоявшемуся взгляду на деление клеток, показывая, как части цитоскелета и материальные свойства внутренней среды клетки (цитоплазмы) совместно обеспечивают деление через механизм «трещотки».
В большинстве видов клетки делятся, формируя сократительное кольцо из структурного белка актина на экваторе клетки. Это кольцо сокращается, как шнурок, разделяя содержимое клетки на две новые. Однако у видов с очень крупными эмбриональными клетками, такими как акулы, утконосы, птицы и рептилии, актиновое кольцо не может полностью сомкнуться из-за огромного размера клетки и большого желточного мешка.
Ученые исследовали эмбрионы рыбок данио, которые быстро делятся и имеют крупные, заполненные желтком клетки на ранних стадиях развития. С помощью лазера они разрезали актиновое кольцо и обнаружили, что оно продолжает впячиваться, несмотря на разрез. Это указывало на то, что точки заякоривания распределены вдоль всего кольца, а не только на его концах.
Микротрубочки, другой важный компонент цитоскелета, изгибались в ответ на лазерные разрезы и играли критическую роль в стабилизации кольца во время сокращения. Когда микротрубочки разрушали химически или физически (с помощью микроскопической масляной капли), актиновое кольцо коллапсировало. Это доказало, что микротрубочки необходимы для удержания кольца на месте, обеспечивая механическую поддержку и сигнализацию.
Клеточный цикл разделен на фазы: митотическую (M-фаза, деление ДНК) и интерфазу (рост и репликация ДНК). После деления ДНК крупные структуры из микротрубочек, называемые астерами, разрастаются по всей цитоплазме. Эти астеры необходимы в интерфазе для определения места формирования актинового кольца.
Эксперименты с магнитными шариками показали, что цитоплазма становится более жесткой в интерфазе, действуя как каркас для стабилизации актинового кольца. В M-фазе она становится более текучей, позволяя кольцу впячиваться. Эти динамические изменения жесткости и текучести играют ключевую роль в процессе деления.
Наблюдения показали, что хотя кольцо нестабильно и сокращается в M-фазе, оно не разрушается полностью. Его ретракция «спасается» благодаря быстрым клеточным циклам на этих ранних стадиях. В следующей интерфазе, когда цитоплазма снова становится жесткой из-за появления астер, кольцо стабилизируется. Затем оно продолжает впячиваться в следующей текучей фазе.
Эти циклы нестабильности в M-фазе и стабилизации в интерфазе повторяются в течение нескольких клеточных циклов, пока деление не завершится. Эта чередующаяся картина действует как механическая трещотка, обеспечивая деление клетки без необходимости в полностью сформированном сократительном кольце. В этом случае деление происходит благодаря чередующимся материальным свойствам цитоплазмы и растягивается на несколько клеточных циклов.
«Механизм временной трещотки фундаментально меняет наше представление о том, как работает цитокинез», — подчеркнул Ян Бругис, автор-корреспондент исследования. Это открытие представляет новую парадигму для понимания деления крупных эмбриональных клеток и может иметь широкое применение для видов с богатыми желтком эмбрионами.