Неправильное разделение хромосом при делении клетки приводит к появлению раковых клеток. Ученые уже давно обнаружили удивительно простой способ, с помощью которого клетки стабилизируют свой механизм разделения хромосом. На сегодняшний день этот механизм уже достаточно хорошо изучен. Но эксперименты всегда проводились на живых клетках. Выделение кинетохора и наблюдение за его работой вне клетки могло быть дать ученым дополнительные подробности этого процесса. Недавно о своем успехе в этом направлении сообщили американские ученые. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature.

До того, как клетка начинает готовиться к делению,
хромосомы (красные) находятся в дезорганизованном
состоянии. (Фото: uwnews.org)

При разделении клетки на две дочерние сначала должен разделиться ее генетический материал – дуплицированные хромосомы, которые затем разойдутся к разным полюсам клетки.

Организм человека состоит более чем из триллиона клеток, и все они должны иметь абсолютно одинаковый набор хромосом. Ошибки в разделении и распределении хромосом могут привести к рождению детей с генетическими отклонениями, такими как синдром Дауна, при котором клетки имеют лишнюю копию 21-й хромосомы. Другой вариант проявления нарушений – появление раковых клеток.

Ярким отличительным признаком раковых клеток является то, что они содержат неправильное число хромосом, поэтому так важно, чтобы мы понимали, как регулируется их разделение, говорит Сью Биггинс (Sue Biggins), научный сотрудник отделения фундаментальной науки Научно-исследовательского онкологического центра Фреда Хатчинсона (Fred Hutchinson Cancer Research Center) в Сиэтле.

«Понимание этого процесса может дать нам возможность корректировать такие дефекты до их появления или сделать клетки с неправильным числом хромосом мишенями для воздействия, чтобы предотвратить их дальнейшее деление».

Когда деление клетки приближается,
хромосомы (красные) выстраиваются в
митотическом веретене и прикрепляются
к его микротрубочкам (зеленые).
(Фото: uwnews.org)

Клеточная молекулярная машина, отвечающая за разделение хромосомы, называется кинетохором.

Кинетохоры появляются на хромосомах и связываются с динамическими филаментами митотического веретена во время клеточного деления. Они управляют движением хромосом, сохраняя контроль над филаментами, которые постоянно ремоделируются. Удлиняясь и укорачиваясь, филаменты тянут кинетохоры и хромосомы в разные стороны до тех пор, пока они не разделятся.

Ученые уже давно обнаружили удивительно простой способ, с помощью которого клетки стабилизируют свой механизм разделения хромосом. С помощью современных методов исследования, в частности, электронной томографии, механизм достаточно хорошо изучен. Эксперименты проводились на живых клетках, и, таким образом, кинетохор изучался непосредственно на его «рабочем месте». Выделение кинетохора и наблюдение за его работой вне клетки могло быть дать дополнительные подробности этого процесса. Недавно американские ученые сообщили о своем успехе в этом направлении.

«Кинетохор – одна из самых больших клеточных машин, но ее еще ни разу не удалось выделить», – говорит Биггинс, старший автор исследования. «Впервые это сделано в нашей лаборатории. Это позволило нам проанализировать его поведение вне клетки и выяснить, как он управляют движением хромосом».

Удлиняясь и укорачиваясь, микротрубочки
растаскивают пары хромосом к полюсам клетки.
(Фото: uwnews.org)

Мы показали, что связь между кинетохорами и филаментами микротрубочек становится более стабильной, если они находятся под действием тянущей силы», – отмечает доктор Чарльз Асбери (Charles Asbury), адъюнкт-профессор физиологии и биофизики Университета Вашингтона (University of Washington – UW).

Первоначально изучавший машиностроение, теперь Асбери исследует молекулярные моторы в клетках.

Доктор Асбери сравнивает стабилизирующее натяжение филаментов с китайской игрушкой «Ловушка для пальца» – чем сильнее вы стараетесь вытащить из нее пальцы, тем сильнее она их удерживает. Такая зависимая от натяжения стабилизация помогает хромосомам разделяться, как положено.

Во время деления клетки огромный молекулярный комплекс кинетохор и микротрубочки прикрепляются к каждой хромосоме и растягивают их, чтобы создать две дочерние клетки. Недавно ученые выделили кинетохор из клетки и смогли продемонстрировать его функции in vitro. Удивительно, но чем больше натяжение микротрубочек, тем стабильнее их связь с кинетохором. Это напоминает китайскую игрушку «Ловушка для пальцев»: чем сильнее стараться освободить пальцы, тем труднее и труднее это сделать. (Credit: Zina Deretsky, National Science Foundation)

Когда пары хромосом правильно соединяются с митотическим веретеном (кинетохор одной дочерней хромосомы  – с микротрубочками справа, а кинетохор другой хромосомы – с микротрубочками слева), кинетохоры подпадают под действие механической тянущей силы, и прикрепление стабилизируется подобно тому, как стабилизируется груз при закреплении тросами с обеих сторон. Это простой, примитивный механизм.

Когда пары хромосом правильно
соединяются с митотическим веретеном
(кинетохор одной дочерней хромосомы  –
с микротрубочками справа, а кинетохор
другой хромосомы – слева), кинетохоры
подпадают под действие механической
тянущей силы, и прикрепление стабилизируется
подобно тому, как стабилизируется груз
при закреплении тросами с обеих сторон.
Это простой, примитивный механизм.
(Credit: Charles Asbury lab)

«С другой стороны, – говорит Асбери, – если пара хромосом прикрепилась неправильно, кинетохоры не испытывают полного натяжения. Связь становится нестабильной и быстро распадается, давая еще один шанс для образования правильного прикрепления».

Кинетохоры являются не только механизмом связывания, но и выполняют функцию регуляторного центра. Они «чувствуют» и исправляют ошибки в прикреплении и посылают сигналы «ждать» до тех пор, пока филаменты микротрубочек не прикрепятся к кинетохорам в правильных положениях.

Ученые проводили это исследование, используя методы, делающие возможным манипулирование отдельными молекулами. Эти методы позволили провести измерения, которые невозможно сделать в живой клетке.

Частицы кинетохора были получены из почкующихся дрожжей.

Насколько Асбери известно, «интактные функциональные кинетохоры ранее не выделялись из каких-либо других организмов». Очистка кинетохоров позволила ученым провести первые прямые измерения силы взаимодействия между отдельными частицами кинетохора и динамическими микротрубочками.

Результаты этого исследования вносят вклад в изучение загадочного процесса, от которого зависит вся жизнь на Земле – процесса генерации сил, разделяющих дуплицированные хромосомы перед делением клетки.

Аннотация к статье: Tension directly stabilizes reconstituted kinetochore-microtubule attachments