Уточнён механизм вращения ресничек узла

Наши тела выглядят симметричными, но большинство внутренних органов асимметричны по форме или положению. У эмбрионов мыши, модельного животного, наиболее близкого к человеку, группы клеток — источники органов — симметричны, но становятся асимметричными примерно через 8 дней после оплодотворения.

Исследовательская группа из Университета Осаки и Токийского университета сельского хозяйства и технологий совместно с коллабораторами выяснила механизм вращения ресничек узла, которые определяют лево-правую асимметрию тела, и прояснила часть взаимосвязи между структурой ресничек и их подвижностью, о которой было мало экспериментальных данных. Это достижение может привести к выяснению причин гетеротаксии, бронхита и бесплодия, вызванных нарушением подвижности ресничек и жгутиков.

У мышей левая и правая стороны тела определяются через 8 дней после оплодотворения. Считается, что в это время реснички примерно 200 групп клеток, называемых узлами, которые появляются на средней линии тела (подвижные выступы размером 2–5 мкм), вращаются по часовой стрелке и создают левый поток жидкости (узловой поток). Это нарушает двустороннюю симметрию генов, экспрессируемых слева и справа от узла, и определяет левую и правую стороны в теле. К этому времени у эмбрионов мыши уже установлена передне-задняя полярность. Левый поток создаётся сочетанием двух особенностей ресничек узла: заднего наклона и их вращения по часовой стрелке. О том, как узел определяет передне-заднюю полярность клетки, в последние годы сообщалось о вовлечении сигнальных позиций PCP (планарной клеточной полярности); однако механизм вращения ресничек по часовой стрелке оставался неизвестным.

Совместно с Пекинским технологическим институтом, Исследовательским центром электронной микроскопии сверхвысокого напряжения Университета Осаки и Центром технологий наук о жизни RIKEN, Кёске Шиногара и Хироши Хамада обнаружили, что обработка Таксолом — противораковым препаратом, стабилизирующим микротрубочки, — нарушает паттерн подвижности ресничек узла.

В норме микротрубочки ресничек узла регулярно расположены рядом с мембраной. Группа исследовала их с помощью электронного микроскопа и обнаружила, что регулярное расположение микротрубочек было нарушено в ресничках узла, обработанных Таксолом. Группа провела компьютерное моделирование подвижности ресничек на основе данных электронной томографии, чтобы выяснить взаимосвязь между структурой и паттерном движения ресничек, и обнаружила, что при нарушении расположения микротрубочек паттерн движения также нарушался.

Из этих результатов стало ясно, что для вращения ресничек узла в одном направлении необходимо регулярное расположение микротрубочек. У мышей есть два типа подвижных ресничек: ресничка узла без центральной пары и подвижная ресничка с центральными микротрубочками и радиальными спицами. Подвижные реснички находятся в дыхательных путях, яйцеводе и желудочках мозга.

Группа выдвинула гипотезу, что обработка Таксолом изменила структуру ресничек узла, потому что у них не было центральной структуры для поддержания расположения микротрубочек, и проверила эту гипотезу.

1. Сначала группа обработала Таксолом реснички дыхательных путей диких мышей, но изменений в их движении и структуре не обнаружилось.
2. Затем группа создала мышей, лишённых белка головки радиальной спицы Rsph4a. Группа наблюдала за движением ресничек дыхательных путей. У мышей дикого типа они демонстрировали плоское движение, но реснички дыхательных путей у нокаутных мышей вращались по часовой стрелке, как реснички узла.
3. Наконец, когда группа обработала Таксолом реснички дыхательных путей нокаутных мышей, расположение микротрубочек было нарушено из-за воздействия Таксола, и вращение по часовой стрелке сменилось случайным вращением.

Из этих результатов следует, что радиальные спицы играют роль в поддержании регулярного расположения микротрубочек, соединяя окружающие микротрубочки с центральной структурой. Ресничкам узла необходимо создать лево-правую полярность на основе информации о передне-задней полярности у эмбрионов мыши. Для этой цели необходимо вращение, а не плоское движение. Считается, что именно поэтому центральная структура была утрачена в ходе эволюции.