|
Как клетки точно собирают сложные механизмы
|
|
|
|
Белки — это «рабочие лошадки» клетки, выполняющие функции, обеспечивающие бесперебойную работу всего организма. Некоторые белки работают сами по себе, но в других случаях многие белки собираются вместе, образуя сложную машину. Эти белки способны выполнять большую работу совместно, чем по отдельности, точно так же, как отдельный двигатель является мощным, но далеко не таким полезным, как двигатель, объединенный с другими частями для создания автомобиля. Инструкции по построению каждого отдельного белка исходят из ДНК, но исследователи не до конца понимают, как клетки регулируют сборку множества белков в более крупную машину. Клетки должны не только точно собирать свои механизмы, но они должны делать это в нужное время и в правильном месте, чтобы механизмы могли выполнять свою задачу — в противном случае машина может выйти из строя или нанести ущерб, поскольку она неправильно выполняет свою работу.
|
|
|
|
Одной из важных задач, для решения которых клетка использует сложные механизмы, является деление хромосом во время клеточного деления. Когда клетка делится, она дублирует свои хромосомы, а затем тщательно организует и распределяет их так, что каждая дочерняя клетка получает полный и точный набор хромосом. Во время деления клеток у людей и многих других видов пары совпадающих хромосом выстраиваются в центре клетки. Клеточные механизмы собираются в центральной точке каждой хромосомы, называемой центромерой, чтобы разделить две хромосомы в каждой совпадающей паре и притянуть их к противоположным концам клетки, где они соединятся, что впоследствии станет двумя дочерними клетками. Если механизм не собирается точно в центромере, он может разорвать хромосомы на части или неправильно рассортировать их в новые клетки. Эти ошибки могут убить клетки или создать дефекты, которые могут способствовать заболеванию.
|
|
|
Механизм, который прикрепляется к центромере и помогает правильно сортировать и транспортировать хромосомы, называется кинетохором. У человека это массивный комплекс, состоящий из множества копий множества различных белков. Несмотря на важность расположения кинетохор для правильного деления клеток, исследователи не знали, как клетки контролируют, где на хромосомах собирается кинетохор. Член Института Уайтхеда Иэн Чизмен, тогдашний аспирант в его лаборатории Гюнтер Сиссоко, доцент Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета Екатерина Грищук и аспирантка в ее лаборатории Екатерина Тарасовец разработали набор инструментов, которые позволили им разгадать эту загадку, как подробно описано в журнале Nature Cell Biology от 2 января.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что определяющим фактором в том, где собирается кинетохор, является локальная концентрация молекул кинетохора. Чтобы запустить сборку, достаточное количество молекул должно находиться рядом друг с другом в одном и том же пространстве. Исследователи определили это, разработав кинетохороподобные частицы, которые позволили им изучить аспекты взаимодействия большого количества кинетохорных белков, когда они находятся в непосредственной близости друг от друга, а не когда они находятся далеко друг от друга. «Мы не понимали, почему кинетохор должен быть большим комплексом с таким количеством копий своих многочисленных компонентов», — говорит Сиссоко. «Теперь мы знаем, что создаваемая при этом плотность кинетохорных белков необходима для сборки всей конструкции».
|
|
|
|
Этот проект начался с загадочного наблюдения. Белок под названием CENP-A всегда маркирует центромеру и формирует самое основание кинетохора: все остальные части структуры будут собираться на CENP-A и вокруг него. Следовательно, можно предположить, что CENP-A определяет местоположение сборки кинетохор. Однако CENP-A иногда можно обнаружить за пределами центромеры. Например, в раковых клетках или в клетках, где исследователи искусственно увеличивают выработку CENP-A, белок может внедриться в другое место на плечах хромосомы, но кинетохоры не собираются поверх этих ошибочных молекул CENP-A. Логично было предположить, что если CENP-A склонен к утечке за пределы центромеры, то у клетки должен быть какой-то другой механизм, предотвращающий аберрантную сборку кинетохор, поскольку результаты могут быть катастрофическими для клетки, но каков был этот механизм?
|
|
|
|
Исследователи подозревали, что кинетохоры могут собираться только в местах с высокой концентрацией CENP-A, таких как центромера, а не в местах, где CENP-A было совсем немного. Известно, что аналогичным образом регулируются и другие процессы в клетке. Молекулы концентрируются в одном и том же небольшом пространстве, чтобы облегчить их взаимодействие. CENP-A трудно изучать, поскольку он встроен в хромосому, поэтому, чтобы проверить эту гипотезу, исследователи решили изучить CENP-T, белок, который является частью той же кинетохорной субструктуры, что и CENP-A. Вместе многие копии этой субструктуры образуют внутренний кинетохор, который служит для прикрепления комплекса к центромере, а затем рекрутирует или запускает сборку внешнего кинетохора. CENP-T играет решающую роль в рекрутировании внешнего кинетохора, который соединяет хромосомы с микротрубочками, системой клеточных магистралей, которая используется для разделения хромосом.
|
|
|
|
Исследователи создали, по сути, большие шарики из CENP-T и других соединительных молекул, которые не мешали их функции. Эти шарики воссоздали плотность CENP-T, которую можно было бы обнаружить в кинетохоре. Они также создали еще один конгломерат CENP-T, в котором они могли точно контролировать количество молекул CENP-T в группе, а затем измерить, как группы разного размера влияют на способность целого рекрутировать внешние кинетохорные белки. «Работая вместе, наши лаборатории создали новую экспериментальную систему для воссоздания частиц кинетохор человека», — говорит Тарасовец. «Это не только позволило нам изучить, как клетки контролируют образование функциональных кинетохор в определенное время и в определенных местах, но и частицы также служат отличным инструментом для изучения других интересных вопросов, таких как механизмы движения хромосом».
|
|
|
|
Используя эти инструменты, исследователи обнаружили, что CENP-T гораздо лучше связывает внешние кинетохорные белки, когда они окружены другими молекулами CENP-T, чем когда один CENP-T работает отдельно. небольшие группы. Каждая молекула CENP-T способна напрямую связывать две молекулы NDC80, важнейшего компонента внешнего кинетохора. Когда исследователи рассмотрели CENP-T в большой группе, в среднем каждый CENP-T связал максимальное количество молекул NDC80. Однако, когда они посмотрели на молекулы CENP-T, работающие по отдельности, большинство отдельных молекул CENP-T не смогли связать даже один NDC80. «Существует регуляторный переключатель, который срабатывает, когда внутренний кинетохор рекрутирует достаточное количество CENP-T, что позволяет CENP-T рекрутировать внешний кинетохор», — говорит Чизмен, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте. «Когда у вас есть этот белок сам по себе, он все еще имеет все эти интерфейсы связывания, но не использует их. Когда вы достигаете пороговой плотности CENP-T, он внезапно может действительно способствовать образованию этих структур».
|
|
|
|
Частицы, созданные исследователями, функционируют настолько похоже на человеческие кинетохоры, что исследователи намерены использовать их, чтобы ответить на дополнительные вопросы о функции кинетохор. Они надеются, что другие исследователи также воспользуются их подходом для изучения кинетохор или, в более широком смысле, для изучения того, как локальная концентрация различных белков влияет на их функцию. Исследователи также работают над выяснением механизма, благодаря которому CENP-T лучше связывает NDC80 в окружении других молекул CENP-T. «Хотя общеизвестно, что кинетохоры собираются благодаря связыванию белков, таких как NDC80 и CENP-T, в определенной последовательности, наше исследование выявило приятный сюрприз. Этот процесс не так прост, как кажется, и связывание NDC80 с CENP-T зависит от того, находится ли CENP-T в кластерной форме», — говорит Грищук. «Мы очень рады узнать больше об основном молекулярном механизме».
|
|
|
|
Источник
|
