В МГУ выяснили механизмы разрушения и сборки белкового скелета живых клеток
Формулировку теории и прецизионные эксперименты в рамках исследования механизмов необычного поведения жизненно важных белковых трубок, составляющих основу клеточного скелета, выполнил коллектив ученых-биофизиков НОШ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» МГУ, 21 ноября сообщает пресс-служба университета.
Результаты исследования ученые представили в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Каждая живая клетка грибов, растений и животных содержит внутренний скелет, с помощью которого она приобретает форму и жесткость, необходимые ей для движения и транспортировки внутри клетки вещества и органелл (специализированных микроструктур, постоянно присутствующих в клетке и выполняющих ряд жизненно важных функций, которые обеспечивают ее метаболизм).
Клеточный скелет формируют трубки из белков-тубулинов диаметром 25 нм и длиной от сотен нанометров до десятков или даже сотен микрометров. Такие полимеры-микротрубочки необходимы при выполнении транспортных и механических функций клеточного скелета.
При этом они обладают свойством непрерывно удлиняться или укорачиваться, спонтанно переключаясь между этими состояниями. Такое их свойство позволяет клетке постоянно обновлять свой внутренний скелет, менять форму, реагируя на внешние воздействия, и перемещать хромосомы в процессе деления клетки.
С этим свойством микротрубочек наука знакома уже более 30 лет. Существует теория, объясняющая способность этих полимеров переключаться от сборки к разборке и обратно получением или потерей стабилизирующей «шапки» из белков-тубулинов, связанных с молекулами гуанозинтрифосфата (ГТФ), участвующего в синтезе РНК.
Однако исследования показали, что эта теория, по крайней мере, не описывает полностью происходящий процесс сборки-разборки. Так, наличие или отсутствие «шапки» не объясняет явление «старения» микротрубочек — их свойство со временем чаще переключаться между сборкой и разборкой, а также свойство многократно переключаться к сборке на одной и той же длине.
Новая компьютерная модель, которую создали биофизики НОШ «Фотоника», объединила идею стабилизирующей шапки на конце восстанавливающейся микротрубочки с гипотезой, что динамическое поведение микротрубочек определяется структурой ее конца.
Микротрубочка состоит из 13 цепочек продольно связанных тубулинов — протофиламентов, каждый из которых в свободном состоянии имеет изогнутую форму. При этом в теле микротрубочки протофиламенты за счет боковых связей друг с другом выпрямляются и лишь те их небольшие участки на самом конце микротрубочки, не имеющие связей, остаются изогнутыми.
Согласно предсказаниям построенной модели, именно данная зона имеет определяющее значение для управления поведением всего полимера. Новая модель подтверждается новейшими структурными данными и предлагает для процесса клеточного деления универсальный механизм связывания хромосом как с растущими, так и с укорачивающимися микротрубочками.
Ученые установили также, что переключение микротрубочек от разборки к сборке сильно зависит от повреждений их решетки при контакте с другими объектами.
Методом фотолитографии исследователи создали на поверхности покровного стекла микропьедесталы для изучения с помощью оптической микроскопии процесса сборки и разборки микротрубочек, которые, находясь в очищенной системе, были таким образом изолированы от поверхности покровного стекла.
Руководитель проекта, старший научный сотрудник кафедры биофизики физфака МГУ Никита Гудимчук пояснил:
«Этот эксперимент показал, что изолированные микротрубочки практически не способны самостоятельно спонтанно переключаться от разборки к сборке. Иными словами, „случайное приобретение“ стабилизирующей шапки, постулируемое ранее широко принятой моделью, оказывается крайне маловероятно. По всей видимости, в живых клетках переключение микротрубочек от разборки к сборке вызывают в основном внешние факторы, такие как вспомогательные белки или механические воздействия на микротрубочки».
Результаты, полученные исследователями, устраняют накопленные противоречия между существовавшей теорией и экспериментальными данными о структуре и динамике микротрубочек, давая одновременно более полное понимание механизмов поведения клеточного скелета.
