09:00 
Деление клеток является важным процессом для всей жизни на Земле, однако точные механизмы, с помощью которых клетки делятся во время раннего эмбрионального развития, остаются неуловимыми, особенно для видов, несущих яйца. Ученые из группы Брюгге в Кластере превосходной физики жизни (PoL) в TUD Dresden University of Technology обнаружили новый механизм, который объясняет, как ранние эмбриональные клетки могут делиться, не образуя полного сократительного кольца, традиционно считающегося необходимым для этого процесса. Результаты, опубликованные в Nature, бросают вызов давнему взгляду учебника на деление клеток, показывая, как части цитоскелета и материальные свойства внутренней части клетки (или цитоплазмы) взаимодействуют, чтобы стимулировать деление через механизм «храповика».
У большинства видов клетки делятся путем образования сократительного кольца из структурного белка, известного как актин, на экваторе клетки. Это кольцо сжимается, как сумочка, зажимая содержимое ячейки, чтобы восстановитьlt в двух новых ячейках. Хотя «кошельковая» модель деления клеток наблюдается у многих организмов, это не относится к видам с очень крупными эмбриональными клетками, таким как акулы, утконосы, птицы и рептилии. В этих случаях актиновое кольцо не может полностью закрыться из-за огромного размера клетки и большого желточного мешка. Как именно происходит деление клеток у этих организмов, оставалось открытым вопросом в этой области до сих пор.
«При таком большом желтке в эмбриональной клетке есть геометрическое ограничение. Как сократительная полоса со свободными концами остается стабильной и генерирует достаточно силы, чтобы разделить эти огромные клетки?» - спросила Элисон Кикут, недавно окончившая аспирантуру из группы Брюгге в Кластере физики жизни (PoL) и ведущий автор исследования. Их эксперименты, опубликованные в новом исследовании в Nature, нашли ответ на этот вопрос.
Ученые изучили эмбрионы рыбок данио, которые быстро делятся и разделяют характеристикуналичия крупных, заполненных желтком клеток на ранних стадиях развития. Точно разрезая актиновую полосу лазером, Элисон заметила, что полоса продолжала проникать, несмотря на то, что была разорвана, предполагая, что точки крепления были распределены вдоль полосы, а не на концах. Кроме того, казалось, что микротрубочки, еще одна важная часть цитоскелета, изгибались и растягивались в ответ на лазерные разрезы и играли решающую роль в стабилизации полосы во время сокращения.
Чтобы прояснить роль микротрубочек в этом процессе, авторы разрушили их в двух отдельных экспериментах: химически индуцируя деполимеризацию (эффективно останавливая образование новых микротрубочек) и физически разрушая их с помощью препятствия в виде микроскопической капли масла. Без микротрубочек полоса актина разрушалась, доказывая, что микротрубочки необходимы для удержания полосы на месте и обеспечивали как механическую поддержку, так и сигнализацию во время ее формирования.
Измененияв цитоскелете, как известно, происходит у других видов по мере развития клеточных циклов. Важно отметить, что клеточный цикл разделен на отдельные фазы активности; митотическую фазу (М-фазу), где делится ДНК, и интерфазу, где типичная клетка растет и реплицирует свою ДНК. После разделения ДНК крупные структуры, состоящие из микротрубочек, называемых астрами, растут, охватывая всю цитоплазму. Эти астры необходимы во время интерфазы для принятия решения о том, где будет формироваться актиновая полоса и начнет сжиматься, отмечая будущую плоскость расщепления.
Учитывая, что микротрубочки, как известно, укрепляют цитоплазму в различных клеточных контекстах, авторы стремились исследовать, будут ли астры способствовать усилению жесткости, чтобы помочь закрепить полосу актина. Для исследования авторы использовали магнитные шарики и наблюдали их смещение под действием магнитных сил. Эти эксперименты позволили ученым измерить изменения цитоплазматической жесткости на стадиях клеточного цикла.
Они обнаружили, что цитплазма становится более жесткой во время интерфазы, действуя как каркас для стабилизации актиновой полосы. В свою очередь, он становится более текучим во время М-фазы, что позволяет полосе проникать между двумя будущими клетками. Эти динамические изменения в жесткости и псевдоожижении играют ключевую роль в процессе деления.
Остался только один вопрос: как полоса оставалась стабильной на протяжении М-фазы, несмотря на то, что цитоплазма становилась более жидкой? Изображая концы актиновой полосы с течением времени, команда заметила, что, хотя полоса нестабильна во время М-фазы во время сжатия, она не разрушилась полностью. Вместо этого это втягивание «спасается» благодаря быстрым клеточным циклам на этих ранних стадиях. В следующей интерфазе, когда цитоплазма снова застывает из-за повторного появления астр, полоса становится повторно стабилизированной. Затем активиновая полоса продолжала проникать во время следующей флюид-фазы.
Эти циклы нестабильности во время М-фазы и стабилизации во время интерфазы повторяются в течение нескольких клеточных циклов доделение было завершено. Этот чередующийся рисунок действует как «механический храповик», управляя делением клеток без необходимости полностью сформированного сократительного кольца. В этом случае деление возможно через чередующиеся свойства материала цитоплазмы и происходит в течение нескольких клеточных циклов вместо одного.
«Временной механизм храповика фундаментально меняет наше представление о том, как работает цитокинез», - подчеркнул Ян Брюггес, автор-корреспондент исследования. Это открытие обеспечило эффективное решение для ранних клеточных делений в клетках, которые были слишком большими для обычного клеточного деления и имели быстрые клеточные циклы.
Зебры - увлекательный случай, поскольку цитоплазматическое деление в их эмбриональных клетках по своей природе нестабильно. Чтобы преодолеть эту нестабильность, их клетки быстро делятся, что позволяет ингрессировать полосу в течение нескольких клеточных циклов, чередуя стабильность и псевдоожижение до полного деления."
Элисон Кикут, Технический университет Dresden
Это открытие представляет собой новую парадигму для понимания деления клеток в крупных эмбриональных клетках и может широко применяться к видам с эмбрионами, богатыми желтком. Кроме того, в этом исследовании подчеркивается, что временной контроль свойств материала в цитоплазме является важным фактором, способствующим клеточным процессам, и эта роль может быть расширена в будущих исследованиях. Понимание этих механизмов откроет новые перспективы для изучения развития у разных видов.
