Ученые МГУ определили механизмы непрерывного разрушения и сборки внутреннего белкового скелета живых клеток

Коллективом ученых, сотрудниками НОШ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина», целиком состоящим из сотрудников и выпускников физического факультета МГУ, была сформулирована теория и выполнены прецизионные эксперименты, позволяющие лучше понять механизмы необычного поведения жизненно важных белковых трубок, составляющих основу клеточного скелета. Исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Каждая живая клетка грибов, растений и животных имеет внутренний скелет, который организует внутриклеточное пространство, придает клетке форму, необходимую жесткость, помогает ей двигаться и транспортировать вещества и органеллы. Одним из основных компонентов клеточного скелета являются белковые трубки, диаметром 25 нм и длиной от сотен нанометров до десятков, а иногда и сотен микрометров. Эти полимеры, называемые микротрубочками, важны для выполнения транспортных и механических функций клеточного скелета. Но они обладают еще и замечательным свойством непрерывно удлиняться или укорачиваться, спонтанно переключаясь между этими состояниями, что позволяет клетке постоянно обновлять свой внутренний скелет, изменять форму, реагировать на внешние воздействия и даже перемещать хромосомы во время клеточного деления. Необычное поведение микротрубочек известно науке уже более 30 лет, и в учебники давно вошла теория, которая объясняет способность этих полимеров переключаться от сборки к разборке и обратно потерей или приобретением специальной структуры – стабилизирующей шапки из тубулинов, связанных с молекулами гуанозинтрифосфата (ГТФ). Однако в последние годы стало понятно, что эта теория по крайней мере не полна. Например, она не объясняет «старение» микротрубочек, то есть их склонность со временем все чаще переключаться от сборке к разборке, а также не позволяет понять, почему микротрубочка может многократно переключаться к сборке на одной и той же длине.

Биофизики МГУ – сотрудники НОШ «Фотоника» при поддержке РНФ построили новую компьютерную модель, которая объединила идею стабилизирующей шапки на конце собирающейся микротрубочки с идеей о том, что на динамическое поведение микротрубочки влияет структура ее конца. Для этого ученые учли, что микротрубочка состоит из 13 цепочек продольно связанных тубулинов - так называемых протофиламентов. При этом каждый протофиламент в равновесии имеет изогнутую форму, но в теле микротрубочки протофиламенты выпрямлены за счет боковых связей друг с другом, так что лишь их небольшие участки, между которыми нет связей, остаются изогнутыми на самом конце микротрубочки. Именно эта зона на конце микротрубочки, согласно предсказаниям построенной модели, имеет первостепенное значение для управления поведением всего полимера. Разработанная модель хорошо согласуется с новейшими структурными данными и позволяет предположить универсальный механизм связывания хромосом как с растущими, так с укорачивающимися микротрубочками во время клеточного деления.

Кроме того, авторы работы также обнаружили, что на процесс переключения микротрубочек от разборки к сборке сильно влияют повреждения решетки микротрубочек при контакте с другими объектами. Для этого с помощью метода фотолитографии были созданы микропьедесталы на поверхности покровного стекла, и авторы статьи впервые с помощью оптической микроскопии наблюли сборку и разборку микротрубочек изолированных от поверхности покровного стекла в очищенной системе (Рисунок).

«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 сборки вызывают в основном внешние факторы, такие как вспомогательные белки или механические воздействия на микротрубочки» - поясняет руководитель проекта, ст.н.с, д.ф.-м.н. Никита Борисович Гудимчук.

Опубликованные в статье результаты устраняют накопленные противоречия между теорией и экспериментальными данными о структуре и динамике микротрубочек и дают более полное понимание механизмов поведения клеточного скелета - одной из наиболее древних и многофункциональных клеточных систем.

Приложения:

1) Видео: компьютерная симуляция сборки и разборки микротрубочки

2) Рисунок
Вверху: схема опыта по наблюдению микротрубочек на микропьедесталах. Ниже: фотографии микротрубочки, закрепленной одним концом на микропьедестале. Изображения получены с помощью оптической микроскопии дифференциально-интерференционного контраста.