Введение

Особенность биологической клеточной структуры – клеточная структура.

В клеточной биологии веретено деления – это цитоскелетная структура эукариотических клеток, которая формируется во время деления клетки для разделения сестринских хроматид между дочерними клетками. Оно называется митотическим веретеном во время митоза, процесса, приводящего к образованию генетически идентичных дочерних клеток, или мейотическим веретеном во время мейоза, процесса, приводящего к образованию гамет с половинным набором хромосом родительской клетки. Помимо хромосом, веретено деления состоит из сотен белков. Микротрубочки являются наиболее распространенными компонентами этого механизма.

Структура шпинделя

Прикрепление микротрубочек к хромосомам опосредовано кинетохорами, которые активно контролируют формирование веретена деления и предотвращают преждевременное начало анафазы. Динамическая полимеризация и деполимеризация микротрубочек обеспечивает движение хромосом к экватору клетки. Деполимеризация микротрубочек создает напряжение в кинетохорах; биполярное прикрепление сестринских кинетохоров к микротрубочкам, исходящим от противоположных полюсов клетки, уравновешивает противоположные силы напряжения, выравнивая хромосомы на экваторе клетки и подготавливая их к разделению между дочерними клетками. Как только каждая хромосома ориентирована биполярно, начинается анафаза, и когезин, соединяющий сестринские хроматиды, расщепляется, позволяя сестринским хроматидам переместиться к противоположным полюсам. Клеточный веретенообразный аппарат включает в себя микротрубочки веретена деления, ассоциированные белки, включая молекулярные моторы кинезин и динеин, конденсированные хромосомы, а также центросомы или астеры, которые могут присутствовать на полюсах веретена деления в зависимости от типа клетки. Веретенообразный аппарат имеет слабо выраженную эллипсоидную форму в поперечном сечении и сужается к концам. В широкой средней части, известной как средняя зона веретена деления, антипараллельные микротрубочки сгруппированы кинезинами. На заостренных концах, известных как полюса веретена деления, микротрубочки нуклеируются центросомами в большинстве клеток животных. Ацентросомальные или анастральные веретена деления лишены центросом или астеров на полюсах веретена деления соответственно и встречаются, например, во время женского мейоза у большинства животных. В этом случае градиент Ran-GTP является основным регулятором организации и сборки микротрубочек веретена деления. У грибов веретена деления формируются между телами полюсов веретена деления, встроенными в ядерную оболочку, которая не разрушается во время митоза.

Микротубуло-ассоциированные белки и динамика шпинделя

Динамическое удлинение и укорачивание микротрубочек веретена деления, посредством процесса, известного как динамическая нестабильность, в значительной степени определяет форму митотического веретена и способствует правильному выравниванию хромосом в средней зоне веретена. Микротубулоассоциированные белки (MAP) связываются с микротрубочками в средней зоне и полюсах веретена для регуляции их динамики. γ-тубулин – это специализированный вариант тубулина, который собирается в кольцевой комплекс, называемый γTuRC, который инициирует полимеризацию α/β-тубулиновых гетеродимеров в микротрубочки. Регрутирование γTuRC в перицентросомную область стабилизирует минус-концы микротрубочек и закрепляет их вблизи центра организации микротрубочек. Микротубулоассоциированный белок Augmin действует совместно с γTuRC для инициирования роста новых микротрубочек от существующих микротрубочек. Растущие концы микротрубочек защищены от катастрофы действием плюс-концевых микротрубочковых трекинговых белков (+TIP), способствующих их ассоциации с кинетохорами в средней зоне. Было показано, что CLIP170 локализуется вблизи плюс-концов микротрубочек в клетках HeLa и накапливается в кинетохорах во время прометафазы. Хотя механизм распознавания CLIP170 плюс-концов остается неясным, было показано, что его гомологи защищают от катастрофы и способствуют восстановлению, что указывает на роль CLIP170 в стабилизации плюс-концов и, возможно, опосредовании их прямого прикрепления к кинетохорам. Белки, связанные с CLIP, такие как CLASP1 у человека, также локализуются на плюс-концах и внешней кинетохоре, а также модулируют динамику микротрубочек кинетохоры (Maiato 2003). Гомологи CLASP в Drosophila, Xenopus и дрожжах необходимы для правильной сборки веретена; у млекопитающих CLASP1 и CLASP2 вносят вклад в правильную сборку веретена и динамику микротрубочек в анафазе. Полимеризация плюс-концов может быть дополнительно модулирована белком EB1, который напрямую связывается с растущими концами микротрубочек и координирует связывание других +TIP. Противодействуя действию этих стабилизирующих микротрубочки белков, существует ряд деполимеризирующих факторов микротрубочек, которые обеспечивают динамическое ремоделирование митотического веретена для стимуляции конгрессии хромосом и достижения биполярности. Суперсемейство MAP кинезин-13 содержит класс плюс-концевых моторных белков с ассоциированной деполимеризующей активностью микротрубочек, включая хорошо изученные MCAK и XKCM1 Xenopus. MCAK локализуется на растущих концах микротрубочек в кинетохорах, где он может вызывать катастрофу в прямой конкуренции со стабилизирующей +TIP-активностью. Эти белки используют энергию гидролиза АТФ для индуцирования дестабилизирующих конформационных изменений в структуре протофиламента, которые вызывают высвобождение кинезина и деполимеризацию микротрубочек. Потеря их активности приводит к многочисленным митотическим дефектам. Деятельность этих MAP тщательно регулируется для поддержания правильной динамики микротрубочек во время сборки веретена, при этом многие из этих белков служат субстратами киназ, подобных Aurora и Polo.

Организация шпиндельного аппарата

В правильно сформированном митотическом веретене биориентированные хромосомы выстроены вдоль экватора клетки, а шпиндельные микротрубочки ориентированы примерно перпендикулярно хромосомам, их плюс-концы погружены в кинетохоры, а минус-концы закреплены у полюсов клетки. Точная ориентация этого комплекса необходима для обеспечения точной сегрегации хромосом и определения плоскости деления клетки. Однако, механизм организации веретена до сих пор неясен. В этой области доминируют две модели, которые являются синергичными и не взаимоисключающими. Согласно модели поиска и захвата, веретено преимущественно организуется за счет удаления центросомальных микротубулеорганизующих центров (ЦМОЦ) к полюсам. Шпиндельные микротрубочки исходят из центросом и "ищут" кинетохоры; при связывании с кинетохорой они стабилизируются и создают натяжение на хромосомах. В альтернативной модели самосборки микротрубочки подвергаются ацентросомной нуклеации среди конденсированных хромосом. Ограниченные размерами клетки, боковыми связями с антипараллельными микротрубочками посредством моторных белков и прикреплением концов к кинетохорам, микротрубочки естественным образом формируют веретенообразную структуру с хромосомами, выровненными вдоль клеточного экватора.

Модель "поиск и захват" с посредничеством центросомы

В этой модели микротрубочки нуклеируются в центрах организации микротрубочек и подвергаются быстрому росту и катастрофе, чтобы "прощупывать" цитоплазму в поисках кинетохоров. Как только они связываются с кинетохором, они стабилизируются и их динамика снижается. Новообразованная моноориентированная хромосома колеблется в пространстве вблизи полюса, к которому она прикреплена, до тех пор, пока микротрубочка с противоположного полюса не свяжет сестринский кинетохор. Это второе прикрепление дополнительно стабилизирует прикрепление кинетохора к митотическому веретену. Постепенно биориентированная хромосома притягивается к центру клетки, пока напряжение микротрубочек не сбалансируется по обе стороны от центромеры; затем хромосома, достигшая экватора, колеблется на метафазной пластинке до начала анафазы, когда происходит высвобождение когезии сестринских хроматид. В этой модели центры организации микротрубочек локализованы на полюсах клетки, их расхождение обусловлено полимеризацией микротрубочек и "скольжением" антипараллельных микротрубочек веретена относительно друг друга в средней зоне веретена, опосредованным биполярными, плюс-концевыми кинезинами. Эти скользящие силы могут объяснять не только расхождение полюсов веретена в начале митоза, но и удлинение веретена во время поздней анафазы.

Самоорганизация митотического шпинделя с посредством хроматина

В отличие от механизма поиска и захвата, в котором центросомы в значительной степени определяют организацию митотического веретена, эта модель предполагает, что микротрубочки нуклеируются ацентросомно вблизи хромосом и спонтанно собираются в антипараллельные пучки, формируя веретенообразную структуру. Классические эксперименты, проведенные Хилдом и Карсенти, показали, что функциональные митотические веретена и ядра формируются вокруг ДНК-покрытых бусин, инкубированных в экстрактах яиц ксенопуса, и что биполярные массивы микротрубочек образуются в отсутствие центросом и кинетохоров. Более того, было продемонстрировано, что лазерная абляция центросом в клетках позвоночных не препятствует сборке веретена и разделению хромосом. Согласно этой схеме, форма и размер митотического веретена зависят от биофизических свойств белков, обеспечивающих поперечное сшивание.

Нуклеация микротубулей с опосредованным хроматином по градиенту Ran GTP

Фактор обмена нуклеотидов гуанина для малой GTPase Ran (регулятор конденсации хромосом 1, или RCC1) связан с нуклеосомами посредством основных гистонов H2A и H2B. Таким образом, формируется градиент Ran, связанного с ГТФ, в окрестностях митотического хроматина. Стеклянные шарики, покрытые RCC1, индуцируют нуклеацию микротрубочек и формирование биполярного веретена деления в экстрактах яиц ксенопуса, что показывает, что одного лишь градиента Ran-ГТФ достаточно для сборки веретена деления. Градиент запускает высвобождение факторов сборки веретена деления (SAF) из ингибирующих взаимодействий посредством транспортных белков импортин β/α. Освободившиеся SAF затем стимулируют нуклеацию и стабилизацию микротрубочек вокруг митотического хроматина, а биполярность веретена деления организуется моторными белками микротрубочек.

Регулирование сборки шпинделя

Сборка веретена деления в значительной степени регулируется событиями фосфорилирования, катализируемыми митотическими киназами. Комплексы циклинозависимых киназ (CDK) активируются митотическими циклинами, трансляция которых возрастает во время митоза. CDK1 (также называемый CDC2) считается основной митотической киназой в клетках млекопитающих и активируется циклином B1. Киназы Авроры необходимы для правильной сборки и разделения веретена деления. Аврора А ассоциируется с центросомами и предположительно регулирует вход в митоз. Аврора В является компонентом хромосомного пассажирского комплекса и опосредует прикрепление микротрубочек к хромосомам и когезию сестринских хроматид. Подобная поло киназа, также известная как PLK, особенно PLK1, играет важную роль в поддержании веретена деления, регулируя динамику микротрубочек.

Митотическая хромосомная структура

К концу репликации ДНК сестринские хроматиды связаны вместе в аморфную массу переплетенной ДНК и белка. Начало митоза запускает драматическую реорганизацию дуплицированного генома, приводящую к распутыванию и разделению сестринских хроматид. Хромосомы также значительно укорачиваются, до 10 000 раз в клетках животных, в процессе, называемом конденсацией. Конденсация начинается в профазе, и к моменту выстраивания хромосом в середине веретена деления в метафазе они максимально компактизируются, приобретая форму стержней. Это придает митотическим хромосомам классическую "Х"-образную форму, видимую на кариотипах, где каждая конденсированная сестринская хроматида связана по всей длине белками когезинами и соединена, как правило, вблизи центра, в центромере. Хотя эти динамические перестройки жизненно важны для обеспечения точного и высокоточного разделения генома, наше понимание структуры митотических хромосом остается во многом неполным. Тем не менее, были идентифицированы некоторые специфические молекулярные факторы: топоизомераза II использует гидролиз АТФ для катализа декатенации переплетений ДНК, способствуя разрешению сестринских хроматид. Конденсины – это 5-субъединичные комплексы, которые также используют гидролиз АТФ для стимуляции конденсации хромосом. Эксперименты с экстрактами яиц ксенопуса также указывают на линкерный гистон H1 как на важный регулятор компактизации митотических хромосом.

Контрольный пункт сборки митотического шпинделя

Завершение формирования веретена деления – важнейшая переходная точка в клеточном цикле, известная как контрольная точка сборки веретена. Если к моменту наступления этой контрольной точки хромосомы не будут правильно прикреплены к митотическому веретену, начало анафазы будет отложено. Нарушение работы контрольной точки сборки веретена может привести к анеуплоидии и может играть роль в старении и развитии рака.

Ориентация шпинделя

Ориентация деления клеток имеет решающее значение для архитектуры тканей, клеточной дифференцировки и морфогенеза. Клетки, как правило, делятся вдоль своей длинной оси в соответствии с так называемым правилом Гертвига. Ось деления клеток определяется ориентацией веретена деления. Клетки делятся по линии, соединяющей две центросомы веретена деления. После формирования веретено деления вращается внутри клетки. Астральные микротрубочки, исходящие из центросом, достигают клеточной мембраны, где притягиваются к специфическим кортикальным сигналам. In vitro распределение кортикальных сигналов задается адгезионным паттерном. In vivo полярные сигналы определяются локализацией триклеточных соединений, расположенных на вершинах клеток. Пространственное распределение кортикальных сигналов создает силовое поле, определяющее окончательную ориентацию веретена деления и, как следствие, ориентацию деления клеток.