Стабилизация через повреждение: как клетки используют стресс для саморемонта

Процесс деления клетки (митоз) традиционно рассматривается через призму биохимии и генетики. Однако с точки зрения физики, митоз представляет собой сложную механическую задачу. Клеточной структуре нужно не просто разделить генетический материал, но и физически разнести хромосомы в разные части клетки. Эту работу выполняет веретено деления — динамическая машина, состоящая из микротрубочек.

Микротрубочки — это белковые полимеры, обладающие свойством динамической нестабильности. Они постоянно переходят от фазы роста к фазу укорачивания (деполимеризации). Это свойство необходимо для поиска хромосом и их захвата, но оно же создает риск: под воздействием сил сопротивления цитоплазмы или при некорректном прикреплении структура может разрушиться.

В научном сообществе считалось, что микротрубочки обновляются и растут исключительно с концов. Считалось, что основное тело микротрубочки остается неизменным до момента ее полного распада. Новое исследование, проведенное биофизиками из Калифорнийского университета, доказало, что механическая сила, приложенная к веретену деления, вызывает полные изменения в самой структуре микротрубочек, запуская процесс их локального обновления и стабилизации.

Методология: прямое механическое воздействие

Для изучения физических пределов прочности клеточных структур исследователи применили метод микроманипуляции. Объектом изучения стали клетки эпителия почки кенгуровой крысы (линия PtK2) — классическая модель для визуализации митоза благодаря малому количеству крупных хромосом.

В ходе эксперимента ученые вводили в делящуюся клетку стеклянную микроиглу. С ее помощью они захватывали К-фибру — пучок микротрубочек, соединяющий хромосому с полюсом деления, — и прикладывали к ней растягивающее усилие в течение нескольких минут. Это позволяло имитировать и усиливать естественные нагрузки, которые испытывает веретено деления.

Параллельно использовался метод лазерной абляции (разрезания лазером). Обычно, если разрезать К-фибру лазером, ее свободный конец, потерявший связь с хромосомой, начинает стремительно распадаться. Однако исследователи обнаружили, что если предварительно растянуть волокно микроиглой, а затем разрезать его или довести до механического перелома, поведение структуры меняется. Вместо быстрого распада поврежденные концы стабилизировались. Они переставали сокращаться, но и не росли, переходя в состояние устойчивого равновесия.

Феномен стабилизации через повреждение

Наблюдения показали, что микротрубочки реагируют на внешнюю силу как активная адаптирующаяся система. Когда механическая нагрузка достигает критических значений, происходят два процесса:

1. Структурный перелом. Волокно разрывается, но не рассыпается полностью.
2. Остановка динамики. Образовавшиеся новые концы микротрубочек демонстрируют устойчивость к деполимеризации.

Скорость распада таких стабилизированных концов оказывалась на два порядка ниже, чем у концов, созданных мгновенным лазерным разрезом без предварительного натяжения. Это указывало на то, что в период натяжения внутри структуры произошли изменения, которые сделали ее более стойкой.

Молекулярный механизм: ремоделирование решетки

Чтобы понять природу этих изменений, авторы работы проанализировали молекулярный состав микротрубочек в зоне приложения силы. Микротрубочка представляет собой цилиндрическую решетку, собранную из белков тубулинов.

В нормальном состоянии стабильность микротрубочки обеспечивает так называемая «GTP-шапка» — участок на ее растущем конце, содержащий тубулин, связанный с молекулой гуанозинтрифосфата (GTP). Основная же часть трубки состоит из тубулина, связанного с гуанозиндифосфатом (GDP), который имеет менее стабильную конформацию и склонен к распаду при потере «шапки».

Исследование выявило следующий каскад событий при приложении силы:

1. Растяжение решетки. Механическая тяга физически деформирует решетку микротрубочки, увеличивая расстояние между белковыми субъединицами.
2. Потеря стабилизирующих белков. Растяжение приводит к тому, что белок даблкортин (DCX), который в норме связывается с плотной решеткой, теряет способность удерживаться на структуре. Ученые зафиксировали локальное исчезновение DCX в точках максимального изгиба и натяжения.
3. Встраивание нового материала. Дефекты и разрывы в решетке, вызванные растяжением, открывают доступ для свободных молекул тубулина из цитоплазмы. В поврежденные участки начинают встраиваться новые димеры GTP-тубулина.
4. Появление маркеров роста. В зоне повреждения, далеко от концов микротрубочки, начинает накапливаться белок EB1. Обычно этот белок маркирует только растущие концы, сигнализируя о наличии GTP-тубулина. Его появление в середине волокна подтверждает, что там происходит активное обновление структуры.

Таким образом, механическая сила повреждает старую решетку, но это повреждение служит сигналом для встраивания новых, богатых энергией компонентов. Происходит ремоделирование: нестабильные участки замещаются свежими блоками, что укрепляет волокно изнутри.

Значение открытия: механоадаптивность цитоскелета

Результаты работы демонстрируют, что веретено деления обладает свойством внутренней регуляции под действием нагрузок. Это меняет понимание надежности биологических систем. Система не обладает изначально избыточной прочностью, которая была бы энергозатратной. Вместо этого она использует механизм ремонта по требованию.

Когда хромосомы оказывают сильное сопротивление при расхождении, натяжение в связывающих их нитях возрастает. Это вызывает локальные микроповреждения решетки микротрубочек. Эти повреждения немедленно латаются новыми молекулами тубулина, создавая участки повышенной стабильности именно там, где нагрузка максимальная.

Данный механизм объясняет, как клетка избегает ошибок при делении. Если бы микротрубочки были жесткими и хрупкими, они ломались бы безвозвратно. Если бы они были слишком податливыми, они не смогли бы генерировать усилие. Способность к ремоделированию под нагрузкой обеспечивает баланс: структура остается динамичной, но становится прочнее в ответ на стресс.

Это открытие также вносит вклад в понимание работы механохимических белков. Выяснилось, что белки, такие как EB1, могут распознавать не только концы микротрубочек, но и структурные дефекты вдоль их длины, если эти дефекты содержат GTP-тубулин. Это расширяет представление о том, как клетка контролирует целостность своего цитоскелета в пространстве и времени.

В перспективе, понимание молекулярных основ реакции веретена деления на силу может помочь в изучении механизмов возникновения хромосомных аномалий. Нарушение процесса стабилизации под нагрузкой может быть одной из причин, по которой раковые клетки часто имеют неправильный набор хромосом, так как их аппарат деления не справляется с механическим стрессом.

Источник:Current Biology