Природа як ефективний менеджер, або чому клітина ділиться за півгодини

Гнучка кінетохорная сітка: кожен правильно закріплений сайт може вийти з площини кінетохора незалежно від інших і опинитися поза зоною активності Aurora В кінази.

Вгорі - правильне закріплення: коли мікротрубочки потягнуть, ліва хромосома «поїде» наліво, а права - направо; внизу - різновиди неправильного закріплення.

Aurora В киназа - регуляторний білок, відкріплює все мікротрубочки, до яких дотягується. Якби вона могла дотягнутися до кожної мікротрубочки, то клітина б не поділилася ніколи.

Модель кінетохора. «Пружина» - це ті самі білки, які «склеюють» дві хромосоми разом. «Пружина» може мінімально стиснутися до 640 нм, максимально розтягнутися - до 1400 нм.

Розподіл центрів зв'язування Aurora B кінази в моделі в залежності від натягу між кінетохор.

<

>

Коли клітина ділиться, її вміст розподіляється між двома дочірніми клітинами приблизно навпіл. Все - окрім ДНК. Кожна молекула ДНК повинна потрапити в кожну з дочірніх клітин. Тому треба спочатку її подвоїти, а потім помістити по копії в дочірні клітини. Такий поділ називається митозом. Якщо врахувати, що, як правило, молекули ДНК зберігаються в кількох хромосомах - у людини, наприклад, їх 46, - то і без того непросте завдання виявляється ще складніше.

Припустимо, у нас є 46 хромосом і 46 їх копій. Першу хромосому треба помістити наліво, в одну клітку. Копію першої - направо, в іншу клітку. Другу хромосому - наліво. Копію другий - направо. І так далі, поки в кожній з дочірніх клітин не опиниться за абсолютно однаковому набору хромосом, в яких відповідно упаковані однакові набори ДНК. Сама клітина досить велика, кілька мікронів; хромосоми, в яких міститься ДНК - в центрі, а розтягнути їх потрібно до країв. Уявіть, що двом людям в темній кімнаті треба на дотик знайти і правильно поділити 46 предметів. Виникає питання: як клітина ухитряється це робити? Око у неї немає.

А клітина вирішує цю задачу з дивовижною точністю. Вона не може дозволити собі помилитися. Якщо вона помилиться і неправильно розподілить хромосоми, то, швидше за все, загине, і це в кращому випадку. У гіршому неправильний розподіл може призвести до злоякісних переродження. Тому клітина дуже ретельно стежить за тим, щоб хромосоми ділилися правильно.

Цій меті служить так зване веретено поділу. Воно являє собою два полюси, з яких на всі боки ростуть довгі лінійні мікротрубочки. Своїми кінцями мікротрубочки можуть чіплятися за кінетохор - спеціально призначені для цього місця на хромосомі. Зачепившись за кінетохор, мікротрубочки починають їх тягнути. Якби ДНК і їх копії були накидати в клітці врозкид: тут перша, там, окремо від неї, - копія першої, то шукати їх, складати в пари і потім ці пари ділити було б уже зовсім складно, тому клітина до пори тримає молекулу ДНК і її копію в хромосомах, «склеєних» попарно. Потім вона починає ці хромосоми переміщати до тих пір, поки вони не вишикуються правильним чином: одні половинки дивляться в одну сторону, інші - в іншу. Тепер завдання вирішується просто: розрізати посередині і потягнути до полюсів. Треба тільки закріпитися правильно. Таке закріплення називається біоріентаціей.

Проблема полягає в тому, що кінці мікротрубочок ніяк не можуть «знати», правильний це кінетохор або неправильний. Все кінетохор для них однакові, чіпляється микротрубочка за той, який першим попадеться їй на шляху. Тому виникає досить багато неправильних закріплень, при яких розтягнути хромосоми до полюсів вже не вийде.

Якщо мікротрубочки будуть прикріплюватися до кінетохор тільки випадковим чином, то ймовірність правильного прикріплення буде дуже мала. У цьому випадку поділ клітин тривало б нескінченно довго. Оскільки в реальності воно відбувається досить швидко, значить, існують чинники, які збільшують ймовірність правильних закріплень і зменшують ймовірність неправильних.

Деякі фактори досить очевидні. По-перше, просто в силу розташування трубочок і сестринських хромосом в просторі правильно закріпитися простіше. Микротрубочка швидше потрапить на правильний - ближній до неї - кінетохор, ніж на неправильний. Але хромосоми в клітці безладно переміщаються, змінюючи свою орієнтацію і положення. Тому завжди є ймовірність, що микротрубочка все ж прикріпиться до неправильного кінетохор. Крім того, на електронних фотографіях видно, що в деяких організмах мікротрубочки проростають крізь кінетохор досить легко. Так що цього обмеження недостатньо.

Другий важливий фактор - швидкість, з якою трубочка збирається і розбирається. Микротрубочка - це полімер особливого роду, і веде він себе не так, як інші полімери. Звичайний полімер вміє або рости, або зменшуватися, роблячи щось одне, якщо умови середовища незмінні. А у мікротрубочки є дві фази: вона то подовжується на мікрони, то починає зменшуватися. Це перемикання між фазами відбувається весь час, мимовільно, тому, якщо трубочка відросла, але не потрапила в потрібний кінетохор, вона досить швидко розбере неправильно виріс ділянку і почне рости заново, трохи в іншу сторону.

Є і третій фактор. У 1998 році на кінетохор був виявлений регуляторний білок, який отримав назву Aurora В киназа. Пізніше виявилося, що в його відсутність кількість неправильних закріплень різко зростає, - власне, так і було відкрито його роль в розподілі клітини. Виявилося, що Aurora В киназа регулює досить багато білків, які зв'язуються з мікротрубочками. Але як саме вона це робить? Відкріплює тільки неправильні закріплення? Тоді абсолютно незрозуміло, як вона їх «бачить», щоб відрізнити правильне від неправильного. Інша, фізично більш правдоподібна ідея полягає в тому, що Aurora В киназа просто відкріплює все підряд. А регуляція відкріплень пов'язана з двома факторами: нерівномірним розподілом активності Aurora В в просторі між сестринськими кінетохор і зміною відстані між кінетохор в результаті натягу, що розвивається мікротрубочками. У 2009 році в лабораторії М. Лемпсона було показано, що концентрація білка Aurora В кінази підвищується до середини між кінетохор і спадає до країв. Правильно закріплена микротрубочка тягне кінетохор до свого центру з силою до 45 піконьютонов, відстань між хроматидами збільшується, і кінетохор «виходять із зони дії» Aurora В кінази. При неправильному закріпленні натягу між кінетохор не виникає, місця закріплення залишаються в зоні активності Aurora В кінази, і вона відкріплює все підряд.

Отже, є три чинники, що сприяють правильному закріпленню: геометричні обмеження, швидкість, з якою трубочка перемикається між фазами росту і укорочення, і відстань між кінетохор. Залишилося з'ясувати, чи існує таке поєднання цих факторів, при якому було б в принципі ймовірно, що все мікротрубочки закріпилися тільки правильно, тобто досягається біоріентація хромосом, і якщо так, то за який час. Це найпростіше оцінити за допомогою фізико-математичної моделі внутрішньоклітинної механіки, знаючи відстані і вимірявши сили, з якими мікротрубочки тягнуть. Для цього в модель вводили різні комбінації чинників і дивилися, який варіант дає на виході результат, схожий на реальність.

Єдина модель, яка допускає правильне прикріплення і при цьому не суперечить ні накопиченим експериментальним даними, ні логіці, така: геометричних обмежень немає, мікротрубочки досить швидко ростуть і коротшають і випадковим чином прикріплюються поспіль до всіх кінетохор, які їм зустрічаються, а механізм корекції помилок полягає в тому, що якщо кінетохор розтягнуті від центру, то мікротрубочки НЕ відкріплюються, а якщо «стиснуті», то відкріплюються. Здавалося б, рішення знайдено. Є тільки одне «але».

Оскільки Aurora В киназа «не відрізняється» правильні закріплення від неправильних, необхідно, щоб в якийсь момент все трубочки виявилися закріплені на кінетохор правильно, потягнули з двох сторін і «вийшли» з зони дії «універсального открепітеля». Такого чудового випадку хромосомної парі доведеться чекати по-справжньому довго. А якщо врахувати, що хромосом у людини 46, то розподіл людської клітини за описаною моделі займало б близько ста мільйонів років.

Насправді клітина ділиться приблизно за півгодини.

Звідки береться цей колосальний виграш у часі?

У пошуках відповіді поглянемо на кінетохор крупним планом.

Якщо сайти закріплення «від'їжджають» від центру все разом, так би мовити, всієї кінетохорной площиною, то стабілізуються всі закріплення: і правильні і неправильні.

Але припустимо, що кожен правильно закріплений сайт «рятується поодинці»: він пов'язаний з кінетохор власної, незалежної від інших білкової «підвіскою». Тоді правильно закріплені сайти отримують можливість «від'їжджати» окремо, поштучно. Що, якщо кінетохор - НЕ площину, в якій сайти прикріплення зафіксовані жорстко, а гнучка сітка слабо пов'язаних один з одним сайтів? Якщо ввести таку сітку в фізико-математичну модель корекції неправильних закріплень за допомогою Aurora В кінази, то при 25 сайтах закріплення (як у людини) час, необхідний для біоріентаціі зі ста мільйонів років скоротиться до 30 хвилин, відповідних реальному стану речей.

З інженерної точки зору процес виглядає дуже просто. Як і багато інших внутрішньоклітинні процеси, особливо вимогливі до надійності. Принципу «чим простіше, тим надійніше» в природі поки ніхто не відміняв.

Подробиці для допитливих

Звідки Aurora В киназа «знає», що їй належить триматися ближче до центру?

Щоб микротрубочка могла закріпитися, на зовнішній стороні кінетохора «сидять» великі білкові комплекси. Такий комплекс називається Кмn - за першими літерами трьох інших білкових комплексів, у тому числі складено. Всі три його білкові субодиниці регулює Aurora В киназа.

Оскільки клітці не потрібно, щоб робочі білки постійно перебували в активному стані, існує механізм, який служить їх універсальним «вмикачем» і «вимикачем», - фосфорилювання і відповідно дефосфорілірованіе. Регуляторні білки вміють приєднувати до кінця будь-якого з робочих білків фосфатну групу, що служить для нього чимось на зразок сигналу до дії. Коли робочий білок треба вимкнути, інший регулюючий білок - фосфатаза - цю фосфатну групу відріже, і робочий білок перейде в неактивний стан.

Зовсім недавно групі Іана Чізмана (Массачусетс, США) вдалося показати, що Aurora В киназа фосфорилирует KMN-комплекс, регулюючи таким чином міцність приєднання мікротрубочки: якщо фосфорильованій все три білка, микротрубочка легко відвалюється; якщо все дефосфорілірованном, навпаки, досить міцно закріплена. Але якщо Aurora В киназа фосфорилирует все підряд, яким чином тоді деяке закріплення все ж вдається зберегтися? Таке можливо тільки за умови, що поширення Aurora В кінази в клітці чимось обмежується.

У 2009 році вчені групи Майкла Лемпсона (Філадельфія, США) експериментально виміряли активність Aurora В кінази в клітці: дослідники вивчали її просторовий розподіл під мікроскопом.

Виявилося, що Aurora В киназа переважає в центрі, але має певне просторове розподіл, що спадає до периферії. Це пояснює, чому деяким трубочкам вдається уникнути відкріплення. Але що змушує Aurora В киназу розподілятися саме так?

У пошуках пояснення припустили, що в «білковому клеї», утримує центромери поруч, існують нерухомі сайти, з якими Aurora В киназа може зв'язуватися. Початково сама Aurora В киназа є фермент, що плавав у розчині в неактивній формі, і активується, коли зв'язується з хромосомою.

Якщо, виходячи з цих припущень, порахувати, як повинна розподілитися Aurora В киназа щодо кінетохор, картина виявиться дуже схожою на ту, що отримана в експерименті; тільки кути в експерименті більш згладжені.