Теперь исследователи из Университета Айовы определили механизм, который делящиеся клетки у червей используют для обеспечения их правильного развития, и считают, что тот же процесс может происходить и у людей. Механизм, неизвестный до сих пор, описывает одну часть клетки, называемую центросомой, как «внутреннего хронометриста» — например, проводника поезда.
Ключевой белок, отвечающий за экспрессию генов, бета-катенин, описывается как «автостопщик» — он запрыгивает на борт клеточного поезда и помогает клеткам расти так, как они должны.
Исследователи считают, что белок автостопщика прикрепляется к центросоме хронометража только для того, чтобы его можно было должным образом регулировать и делить в нужных количествах на вновь формирующиеся клетки.
«Большинство опухолей имеют серьезные аномалии центросом», — говорит доктор биологии UI и первый автор Сету Вора. "Таким образом, вполне возможно, что такой механизм в центросоме может иметь отношение к человеческим заболеваниям, таким как рак."
Исследователи считают, что их открытие может иметь значение для исследований рака и дать лучшее понимание того, как мы развиваемся.
«Мы думаем, что очень важно понять, как работают эти базовые механизмы, чтобы лучше понять человеческое развитие и болезни», — говорит Брайан Филлипс, доцент кафедры биологии UI и автор-корреспондент.
Механизм хронометриста
Ключевая часть всех клеток животных, центросома, действует как капитан деления клеток — она отвечает за то, чтобы новые клетки получали равные доли ДНК при создании.
Теперь, по словам исследователей UI, центросома также действует как хранитель времени во время деления клеток, особенно для другого важного участника этого процесса, бета-катенина.
Бета-катенин — это белок, контролирующий экспрессию генов.
В основном он присутствует во время деления клеток, но начинает разлагаться, ограничивая то, сколько себя отдается дочерним клеткам. Сколько бета-катенина получает каждая клетка во время деления, помогает определить, что это за клетка: рука, нога, печень или что-то еще. Исследователи обнаружили, что бета-катенин знает только, сколько самого себя отдать вновь формирующимся клеткам, потому что он прикрепляется к центросоме — именно здесь в игру вступают обязанности хранителя времени центросомы.
Центросомы созревают и растут внутри клеток, как только клетки начинают делиться. Может показаться нелогичным, что критическая часть клетки становится активной непосредственно перед ее расщеплением, но это означает, что зрелая центросома может служить внутренним индикатором того, что клетка собирается делиться. В тот же момент бета-катенин прикрепляется к центросоме, как автостопщик, говорит Филлипс. Прикрепившись, Хронометрист и Автостопщик начинают работать вместе.
Лабораторные фотографии делящихся клеток
Лабораторные фотографии делящихся клеток.
Круглые, похожие на солнце структуры в каждой клетке — это центросомы. Бета-катенин с флуоресцентной меткой представляет собой особую продолговатую структуру контрастного цвета. Фото любезно предоставлено Брайаном Филлипсом.
Из-за своей способности путешествовать автостопом две вновь образующиеся дочерние клетки наследуют мало бета-катенина.
Это позволяет строго контролировать уровни вновь образованного бета-катенина; одна клетка может накапливать низкие уровни бета-катенина, а одна — высокие уровни. Разница в бета-катенине будет определять, какой тканью станут клетки. Центросома, следя за часами, позволяет этому процессу продолжаться ровно настолько, чтобы новые клетки получили столько бета-катенина, сколько необходимо каждой из них, чтобы стать должным образом функционирующей тканью, которой она должна быть, до того, как центросома и бета -catenin отсоединяется, и процесс заканчивается.
Метод и не только
Исследователи смогли отследить весь механизм в своей модельной системе — прозрачном аскариде под названием C. elegans. Они использовали хорошо известную технику, чтобы поместить в червя флуоресцентную метку на белки бета-катенина, и они могли наблюдать за процессом под флуоресцентным микроскопом.
Исследователи вставили измененный фрагмент ДНК в геном червя, состоящий из информации, кодирующей белок, а также информации, кодирующей флуоресцентный тег. Таким образом, каждый раз, когда червь производил больше белка, он проявлялся в виде флуоресцентной зеленой точки.
Эти наборы точек становились тем ярче, чем больше бета-катенина было в одной области, и исследователи могли измерить интенсивность этого флуоресцентного света в каждой клетке с помощью камеры устройства с зарядовой связью (ПЗС), прикрепленной к их микроскопу. Это позволило им увидеть не только то, что бета-катенин прикреплен к центросоме, но и то, сколько его вырабатывается.
Как выяснилось, единственная причина, по которой бета-катенин вообще прикрепляется к центросоме, — это регулирование, говорят исследователи. Когда они заблокировали способность бета-катенина путешествовать автостопом по центросоме, дочерние клетки, которые должны были получать низкие уровни бета-катенина, в конечном итоге получили слишком много. Некоторые из этих клеток в конечном итоге превращаются в совершенно разные типы тканей.
По словам Филлипса, исследование «Связанная с центросомами деградация ограничивает наследование бета-катенина дочерними клетками после асимметричного деления», представленное в апреле в журнале Current Biology.
"У взрослых это может быть важно, потому что нам нужно поддерживать регуляцию уровня бета-катенина в стволовых клетках. Если в наших стволовых клетках слишком много бета-катенина, клетки могут делиться слишком быстро и могут стать злокачественными », — говорит Филлипс.
Регулирование бета-катенина клинически важно. Почти все опухоли кишечника в той или иной степени связаны с нарушением регуляции бета-катенина, а ранние врожденные дефекты, связанные с бета-катенином, приводят к выкидышу. Кроме того, бета-катенин помогает принимать решения о формировании паттерна у млекопитающих на раннем этапе эмбрионального развития, включая основные пути, участвующие в развитии конечностей, говорит Филлипс.
Продолжение изучения центросомы с пониманием этого механизма и того, как белки распределяются по новым клеткам, может привести к получению важной новой медицинской информации.
По словам Филлипса, это пара шагов от первоначального открытия, но механизм открывает дверь в мир понимания наших клеток.