Природа как эффективный менеджер, или почему клетка делится за полчаса
Материал подготовила Елена Вешняковская.
Когда клетка делится, её содержимое распределяется между двумя дочерними клетками примерно пополам. Всё — кроме ДНК. Каждая молекула ДНК должна попасть в каждую из дочерних клеток. Поэтому надо сначала её удвоить, а потом поместить по копии в дочерние клетки. Такое деление называется митозом. Если учесть, что, как правило, молекулы ДНК хранятся в нескольких хромосомах — у человека, например, их 46, — то и без того непростая задача оказывается ещё сложнее.
Допустим, у нас есть 46 хромосом и 46 их копий. Первую хромосому надо поместить налево, в одну клетку. Копию первой — направо, в другую клетку. Вторую хромосому — налево. Копию второй — направо. И так далее, пока в каждой из дочерних клеток не окажется по абсолютно одинаковому набору хромосом, в которых соответственно упакованы одинаковые наборы ДНК. Сама клетка довольно велика, несколько микрон; хромосомы, в которых содержится ДНК — в центре, а растянуть их нужно к краям. Представьте, что двум людям в тёмной комнате надо на ощупь найти и правильно поделить 46 предметов. Возникает вопрос: как клетка ухитряется это делать? Глаз у неё нет.
А клетка решает эту задачу с удивительной точностью. Она не может позволить себе ошибиться. Если она ошибётся и неправильно распределит хромосомы, то, скорее всего, погибнет, и это в лучшем случае. В худшем неправильное распределение может привести к злокачественным перерождениям. Поэтому клетка очень тщательно следит за тем, чтобы хромосомы делились правильно.
Этой цели служит так называемое веретено деления. Оно представляет собой два полюса, из которых во все стороны растут длинные линейные микротрубочки. Своими концами микротрубочки могут цепляться за кинетохоры — специально предназначенные для этого места на хромосоме. Зацепившись за кинетохоры, микротрубочки начинают их тянуть. Если бы ДНК и их копии были накиданы в клетке вразброс: тут первая, там, отдельно от нее, — копия первой, то искать их, составлять в пары и потом эти пары делить было бы уже совсем сложно, поэтому клетка до поры держит молекулу ДНК и её копию в хромосомах, «склеенных» попарно. Затем она начинает эти хромосомы перемещать до тех пор, пока они не выстроятся правильным образом: одни половинки смотрят в одну сторону, другие — в другую. Теперь задача решается просто: разрезать посередине и потянуть к полюсам. Надо только закрепиться правильно. Такое закрепление называется биориентацией.
Проблема состоит в том, что концы микротрубочек никак не могут «знать», правильный это кинетохор или неправильный. Все кинетохоры для них одинаковы, цепляется микротрубочка за тот, который первым попадётся ей на пути. Поэтому возникает довольно много неправильных закреплений, при которых растянуть хромосомы к полюсам уже не получится.
Если микротрубочки будут прикрепляться к кинетохорам только случайным образом, то вероятность правильного прикрепления будет очень мала. В этом случае деление клетки длилось бы бесконечно долго. Поскольку в реальности оно происходит довольно быстро, значит, существуют факторы, которые увеличивают вероятность правильных закреплений и уменьшают вероятность неправильных.
Некоторые факторы довольно очевидны. Во-первых, просто в силу расположения трубочек и сестринских хромосом в пространстве правильно закрепиться проще. Микротрубочка скорее попадёт на правильный — ближний к ней — кинетохор, чем на неправильный. Но хромосомы в клетке беспорядочно перемещаются, меняя свою ориентацию и положение. Поэтому всегда есть вероятность, что микротрубочка всё же прикрепится к неправильному кинетохору. Кроме того, на электронных фотографиях видно, что в некоторых организмах микротрубочки прорастают сквозь кинетохоры довольно легко. Так что этого ограничения недостаточно.
Второй важный фактор — скорость, с которой трубочка собирается и разбирается. Микротрубочка — это полимер особого рода, и ведёт он себя не так, как другие полимеры. Обычный полимер умеет либо расти, либо укорачиваться, делая что-то одно, если условия среды неизменны. А у микротрубочки есть две фазы: она то удлиняется на микроны, то начинает укорачиваться. Это переключение между фазами происходит всё время, самопроизвольно, поэтому, если трубочка отросла, но не попала в нужный кинетохор, она довольно быстро разберёт неправильно выросший участок и начнёт расти заново, немного в другую сторону.
Есть и третий фактор. В 1998 году на кинетохоре был обнаружен регуляторный белок, получивший название Aurora В киназа. Позже оказалось, что в его отсутствие количество неправильных закреплений резко возрастает, — собственно, так и была открыта его роль в делении клетки. Оказалось, что Aurora В киназа регулирует довольно много белков, которые связываются с микротрубочками. Но как именно она это делает? Открепляет только неправильные закрепления? Тогда совершенно непонятно, как она их «видит», чтобы отличить правильное от неправильного. Другая, физически более правдоподобная идея заключается в том, что Aurora В киназа просто открепляет всё подряд. А регуляция откреплений связана с двумя факторами: неравномерным распределением активности Aurora В в пространстве между сестринскими кинетохорами и изменением расстояния между кинетохорами в результате натяжения, развиваемого микротрубочками. В 2009 году в лаборатории М. Лэмпсона было показано, что концентрация белка Aurora В киназы повышается к середине между кинетохорами и спадает к краям. Правильно закреплённая микротрубочка тянет кинетохор к своему центру с силой до 45 пиконьютонов, расстояние между хроматидами увеличивается, и кинетохоры «выходят из зоны действия» Aurora В киназы. При неправильном закреплении натяжения между кинетохорами не возникает, места закрепления остаются в зоне активности Aurora В киназы, и она открепляет всё подряд.
Итак, есть три фактора, способствующих правильному закреплению: геометрические ограничения, скорость, с которой трубочка переключается между фазами роста и укорачивания, и расстояние между кинетохорами. Осталось выяснить, существует ли такое сочетание этих факторов, при котором было бы в принципе вероятно, что все микротрубочки закрепились только правильно, то есть достигается ли биориентация хромосом, и если да, то за какое время. Это проще всего оценить с помощью физико-математической модели внутриклеточной механики, зная расстояния и измерив силы, с которыми микротрубочки тянут. Для этого в модель вводили разные комбинации факторов и смотрели, какой вариант даёт на выходе результат, похожий на реальность.
Единственная модель, которая допускает правильное прикрепление и при этом не противоречит ни накопленным экспериментальным данным, ни логике, такая: геометрических ограничений нет, микротрубочки довольно быстро растут и укорачиваются и случайным образом прикрепляются подряд ко всем кинетохорам, которые им встречаются, а механизм коррекции ошибок состоит в том, что если кинетохоры растянуты от центра, то микротрубочки не открепляются, а если «сжаты», то открепляются. Казалось бы, решение найдено. Есть только одно «но».
Поскольку Aurora В киназа «не отличает» правильные закрепления от неправильных, необходимо, чтобы в какой-то момент все трубочки оказались закреплены на кинетохорах правильно, потянули с двух сторон и «вышли» из зоны действия «универсального открепителя». Такого замечательного случая хромосомной паре придётся ждать по-настоящему долго. А если учесть, что хромосом у человека 46, то деление человеческой клетки по описанной модели занимало бы около ста миллионов лет.
На самом деле клетка делится примерно за полчаса.
Откуда берётся этот колоссальный выигрыш во времени?
В поисках ответа взглянем на кинетохор крупным планом.
Если сайты закрепления «отъезжают» от центра все вместе, так сказать, всей кинетохорной плоскостью, то стабилизируются все закрепления: и правильные и неправильные.
Но предположим, что каждый правильно закреплённый сайт «спасается поодиночке»: он связан с кинетохором собственной, независимой от других белковой «подвеской». Тогда правильно закреплённые сайты получают возможность «отъезжать» по отдельности, поштучно. Что, если кинетохор — не плоскость, в которой сайты прикрепления зафиксированы жёстко, а гибкая сетка слабо связанных друг с другом сайтов? Если ввести такую сетку в физико-математическую модель коррекции неправильных закреплений с помощью Aurora В киназы, то при 25 сайтах закрепления (как у человека) время необходимое для биориентации со ста миллионов лет сократится до 30 минут, соответствующих реальному положению вещей.
С инженерной точки зрения процесс выглядит очень просто. Как и многие другие внутриклеточные процессы, особо требовательные к надёжности. Принципа «чем проще, тем надёжнее» в природе пока никто не отменял.
Подробности для любознательных
Откуда Aurora В киназа «знает», что ей положено держаться ближе к центру?
Чтобы микротрубочка могла закрепиться, на внешней стороне кинетохора «сидят» большие белковые комплексы. Такой комплекс называется КМN — по первым буквам трёх других белковых комплексов, из которых составлен. Все три его белковые субъединицы регулирует Aurora В киназа.
Поскольку клетке не нужно, чтобы рабочие белки постоянно находились в активном состоянии, существует механизм, который служит их универсальным «включателем» и «выключателем», — фосфорилирование и соответственно дефосфорилирование. Регуляторные белки умеют присоединять к концу любого из рабочих белков фосфатную группу, служащую для него чем-то вроде сигнала к действию. Когда рабочий белок надо выключить, другой регулирующий белок — фосфатаза — эту фосфатную группу отрежет, и рабочий белок перейдёт в неактивное состояние.
Совсем недавно группе Иана Чизмана (Массачусетс, США) удалось показать, что Aurora В киназа фосфорилирует KMN-комплекс, регулируя таким образом прочность присоединения микротрубочки: если фосфорилированы все три белка, микротрубочка легко отваливается; если все дефосфорилированы, наоборот, довольно прочно закреплена. Но если Aurora В киназа фосфорилирует всё подряд, каким образом тогда некоторым закреплениям всё же удаётся сохраниться? Такое возможно только при условии, что распространение Aurora В киназы в клетке чем-то ограничивается.
В 2009 году учёные группы Майкла Лэмпсона (Филадельфия, США) экспериментально измерили активность Aurora В киназы в клетке: исследователи изучали её пространственное распределение под микроскопом.
Оказалось, что Aurora В киназа преобладает в центре, но имеет некое пространственное распределение, спадающее к периферии. Это объясняет, почему некоторым трубочкам удаётся избежать открепления. Но что заставляет Aurora В киназу распределяться именно так?
В поисках объяснения предположили, что в «белковом клее», удерживающем центромеры рядом, существуют неподвижные сайты, с которыми Aurora В киназа может связываться. Исходно сама Aurora В киназа представляет собой фермент, плавающий в растворе в неактивной форме, и активируется, когда связывается с хромосомой.
Если, исходя из этих предположений, посчитать, как должна распределиться Aurora В киназа относительно кинетохоров, картина окажется очень похожей на ту, что получена в эксперименте; только углы в эксперименте более сглажены.
Читайте в любое время
