Кубанский государственный технологический университет

Уроки геометрии для дочки-центриоли

25-06-2012
Клетки хламидомонады подсвечены неоновым светом. Видны клеточные мембраны со жгутиками, в базальной части жгутиков желтенькие центриоли, с центриолями связано близко расположенное ядро, а мелкие разноцветные шарики — это пластиды. Если заменить нормальную центриоль мутантной, то и жгутики, и ядро могут оказаться в любом другом месте. (Фото из обсуждаемой статьи в PloS Biology)

С помощью мутантных клеток хламидомонад удалось показать, как наследуется положение в клетке клеточных органелл. Известно, что основная роль в распределении органелл по клеточному пространству принадлежит центриолям. Теперь ученые выяснили, что материнская центриоль должна отвести дочернюю центриоль на правильную позицию.

Если теряется связь между материнской и дочерней центриолями, то дочерняя уже не может после окончания клеточного деления занять правильную позицию и, соответственно, определить позицию жгутика и клеточного ядра.

Живая клетка под своей оболочкой заключает целый мир, очень непохожий на наш макромир и пока еще очень далекий от нашего человеческого понимания. Но тем не менее совершенно очевидно, что клетка не просто мешок с белками, жирами и углеводами — там работают свои механизмы, воплощаются особые законы взаимодействия макромолекул и клеточных органелл. Одна из загадок клеточного строения (она была всегда и остается загадкой по сей день) — это сохранение и наследование клеточной формы и полярности. Клетка ведь не бесформенная, а клеточное деление обязано на выходе породить вторую клетку такой же формы, как и у клетки-предшественницы.

Как происходит наследование формы? Клеточная архитектура во многом поддерживается специальной клеточной органеллой — центросомой. Центросома состоит из двух центриолей, расположенных строго перпендикулярно друг другу, и системы микротрубочек вокруг них. Сами центриоли тоже сложены из 9 триплетов микротрубочек, вытянутых вдоль центральной оси. Большинство функций центриолей как раз и связаны с их способностью «выращивать» микротрубочки. По ним, как по рельсам, транспортируются вещества от периферии к центру и в обратном направлении, они направляют движение хромосом при клеточном делении, они играют роль «клеточного скелета» и поддерживают форму клетки. С микротрубочками, порожденными центриолями, связана и подвижность клетки: вдоль микротрубочек расположены сократительные белки, и клетка меняет форму соответственно их направлению. Кроме того, к центриолям крепятся своими основаниями жгутики и реснички, так что они отвечают и за активное движение самой клетки.

Чтобы работать клеточным дизайнером, центриоль при делении должна хорошо знать расположение собственного центра управления — того места, откуда она начнет строить выверенную естественным отбором конструкцию микротрубочек. Откуда же новая центриоль знает свое место? Как наследуется клеточная география? Джессика Фельдман (Jessica Feldman) и Уоллес Маршалл (Wallace Marshall) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (University of California San Francisco, США) вместе с немецким коллегой Стефаном Геймером (Stefan Geimer) из Университета Байрейта (Universität Bayreuth, Германия) решили выяснить, как дочерние центриоли находят свою единственно правильную позицию. Для своего исследования они выбрали исключительно оригинальный объект — мутантных хламидомонад Chlamydomonas reinhardtii. Если кто забыл школьную программу, то напомню, что хламидомонада — это одноклеточная зеленая водоросль с двумя жгутиками; в ее клетке имеется красное пятнышко или глазок, который реагирует на свет.

Нормальные хламидомонады плывут на свет, то есть проявляют фототаксис. Ученые выбрали из 10 000 клеток 13 мутантов, у которых не было фототаксиса. Понятно, что если нет движения к свету, значит что-то не в порядке с центриолями или жгутиками, которые крепятся к центриолям. Эти 13 жгутиконосцев и их потомки и послужили материалом исследования. Оказалось, что в обездвиженных клетках может быть два основных нарушения. В первом случае нарушены связи материнской и дочерней центриолей с клеточной стенкой, а во втором случае нарушается связь между материнской и дочерней центриолями (этих мутантов назвали asq от английского askew — «косые»).

У мутантов первого типа (asq1) материнская и дочерняя центриоли располагаются рядышком, примерно на таком же расстоянии, как и у нормально устроенных хламидомонад, но зато в случайном месте клеточной стенки. У мутантов второго типа (asq2) материнская центриоль часто располагается нормально относительно клеточной стенки, и жгутик от нее вырастает в нормальной позиции, зато дочерняя центриоль «отбивается от рук», закрепляясь в случайном месте клеточной стенки.

Это означает, что материнская центриоль задает своей дочке правильную диспозицию в клетке, она как будто ведет ее за руку к тому месту, где будет в дальнейшем располагаться штаб-квартира клеточного дизайна. Это и понятно, ведь у дочерней центриоли еще нет рук-микротрубочек: во время своего первого деления она еще не умеет выращивать микротрубочки, для этого ей нужно созревать в течение целого цикла клеточной жизни. Только к началу второго клеточного деления завершается процесс созревания дочерней центриоли, и она сама должна повести свою дочку к нужной позиции. Поэтому если во время первого деления дочерняя центриоль теряет связь с матерью, то она попросту не знает, куда ей двигаться.

Здесь показаны нормальная клетка (А — схема, В — фотография) и мутанты: С — ask1 (у центриолей нарушена связь с клеточной стенкой) и D — ask2 с нарушенной связью между материнской и дочерней центриолями. Рисунки E–H демонстрируют ноу-хау этой работы: схему количественных измерений позиции центриолей в живой клетке. Обычно изучают центриоли на ультратонких срезах клетки под электронным микроскопом. Здесь же измерялся угол между основной осью клетки и центриолями. E — схема измерения, F — положение центриолей в нормальной клетке (черная линия — это средние значения), G — угол у мутантов ask1, H — угол у мутантов ask2. Рис. из обсуждаемой статьи в PloS Biology

У мутантов asq1, потерявших связь с клеточной стенкой, не только жгутики оказываются не на месте, но и клеточное ядро. Оно гуляет вместе с мутантными центриолями. Хорошо известно, что ядро и центриоли связаны, иначе как бы центриоли участвовали в растаскивании хромосом по дочерним клеткам. (Правда, известны и эксперименты на дрозофилах, в которых показано нормальное деление клеток с отсутствующими центриолями.) Но вот какая из органелл, ядро или центриоли, отдает приказ о дислокации? В экспериментах с клетками млекопитающих было показано, что приказ отдает ядро. У хламидомонад всё оказалось не так: в данном случае приказ о расположении органелл в клеточном пространстве отдавали центриоли. У мутантов, у которых изменен белок, связывающий центриоль с ядром, материнская центриоль всё же может занимать правильную позицию. Зато ядро в таких клетках свободно путешествует по клеточному пространству. Это означает, что центриоль и без указаний ядерного центра знает свое место в клетке. И именно она должна при условии ненарушенной связи с ядром назначить ему конечный пункт прибытия.

Ну, а в чем суть различных результатов экспериментов на хламидомонадах и клетках млекопитающих, ученым еще предстоит разобраться. В данной работе на основе информации генетических банков намечены 6 генов, участвующих в определении позиции центриолей хламидомонад. Это существенный задел для дальнейшей работы с этими удивительными клеточными органеллами. Хотелось бы верить, что специалисты всё же докопаются до механизмов пространственной организации клетки и, следовательно, биологического понимания формы. Волшебный ключик от этой таинственной дверцы — это работа двух маленьких центриолей.

Источник: Jessica L. Feldman, Stefan Geimer, Wallace F. Marshall. The Mother Centriole Plays an Instructive Role in Defining Cell Geometry // PloS Biology. 2007. 5(6): e149; doi:10.1371/journal.pbio.0050149.

См. также: 1) Центросома — клеточный концертмейстер (замечательная популярная статья Рустема Узбекова и Ирины Алиевой о центриолях и их роли в живой клетке). 2) Richard Robinson. Centrioles Position the Nucleus and One Another // PloS Biology. 2007. 5(6): e161; doi:10.1371/journal.pbio.0050161 (суховатое и упрощенное, хотя и популярное изложение обсуждаемой статьи в PloS Biology).

Елена Наймарк

‹‹  Нужно написать реферат, контрольную или диссертацию? У вас нет времени? Тогда советуем обращаться в компанию , где вы сможете заказать любую работу по любой специальности. Низкие цены и скорость выполнения вас приятно порадуют.