В биологии клетки веретенообразный аппарат — это цитоскелетная структура эукариотических клеток , которая формируется во время деления клетки для разделения сестринских хроматид между дочерними клетками . Его называют митотическим веретеном во время митоза , процесса, в результате которого образуются генетически идентичные дочерние клетки, или мейотическим веретеном во время мейоза , процесса, в результате которого образуются гаметы с половинным числом хромосом родительской клетки.
Помимо хромосом, веретенообразный аппарат состоит из сотен белков . [1] [2] Микротрубочки представляют собой наиболее распространенные компоненты этого механизма.
Прикрепление микротрубочек к хромосомам опосредовано кинетохорами , которые активно контролируют формирование веретена и предотвращают преждевременное начало анафазы . Динамическая полимеризация и деполимеризация микротрубочек управляет конгрессом хромосом. Деполимеризация микротрубочек создает натяжение в кинетохорах; [3] биполярное прикрепление сестринских кинетохор к микротрубочкам, исходящее от противоположных полюсов клетки, соединяет противоположные силы натяжения, выравнивая хромосомы на экваторе клетки и подготавливая их к сегрегации в дочерние клетки. Как только каждая хромосома становится двуориентированной, начинается анафаза, и когезин , который соединяет сестринские хроматиды , разрывается, что позволяет сестринским хроматидам перейти к противоположным полюсам.
Аппарат клеточного веретена включает микротрубочки веретена , связанные белки, которые включают молекулярные моторы кинезина и динеина , конденсированные хромосомы и любые центросомы или звезды , которые могут присутствовать на полюсах веретена в зависимости от типа клетки. [4] Аппарат веретена имеет неопределенно эллипсоидное поперечное сечение и сужается на концах. В широкой средней части, известной как средняя зона веретена, антипараллельные микротрубочки связаны кинезинами . На заостренных концах, известных как полюса веретена, микротрубочки зарождаются центросомами в большинстве клеток животных. Ацентросомные или анастральные веретена лишены центросом или звезд на полюсах веретена соответственно и встречаются, например, во время женского мейоза у большинства животных. [5] В этом случае градиент Ran GTP является основным регулятором организации и сборки микротрубочек веретена. У грибов веретена образуются между полюсными телами веретена , встроенными в ядерную оболочку , которая не разрушается во время митоза.
Динамическое удлинение и укорочение микротрубочек веретена посредством процесса, известного как динамическая нестабильность, в значительной степени определяет форму митотического веретена и способствует правильному выравниванию хромосом в средней зоне веретена. Белки, ассоциированные с микротрубочками (MAP), связываются с микротрубочками в средней зоне и полюсах веретена, регулируя их динамику. γ-тубулин — это специализированный вариант тубулина , который собирается в кольцевой комплекс, называемый γ-TuRC , который инициирует полимеризацию гетеродимеров α/β тубулина в микротрубочки. Привлечение γ-TuRC в перицентросомальную область стабилизирует минус-концы микротрубочек и закрепляет их вблизи центра организации микротрубочек . Белок, ассоциированный с микротрубочками, Augmin действует совместно с γ-TURC, зарождая новые микротрубочки из существующих микротрубочек. [6]
Растущие концы микротрубочек защищены от катастрофы действием белков отслеживания плюс-концов микротрубочек (+TIPs), способствующих их ассоциации с кинетохорами в средней зоне. Было показано, что CLIP170 локализуется вблизи плюс-концов микротрубочек в клетках HeLa [7] и накапливается в кинетохорах во время прометафазы . [8] Хотя то, как CLIP170 распознает плюс-концы, остается неясным, было показано, что его гомологи защищают от катастрофы и способствуют спасению, [9] [10] предполагая роль CLIP170 в стабилизации плюс-концов и, возможно, опосредовании их прямого прикрепления к кинетохорам. [11] Было также показано, что ассоциированные с CLIP белки, такие как CLASP1 у людей, локализуются на плюс-концах и внешнем кинетохоре, а также модулируют динамику микротрубочек кинетохора (Maiato 2003). Гомологи CLASP у Drosophila , Xenopus и дрожжей необходимы для правильной сборки веретена; у млекопитающих CLASP1 и CLASP2 способствуют правильной сборке веретена и динамике микротрубочек в анафазе. [12] Полимеризация плюс-конца может дополнительно регулироваться белком EB1, который напрямую связывает растущие концы микротрубочек и координирует связывание других +TIP. [13] [14]
Действию этих стабилизирующих микротрубочки белков противостоит ряд факторов деполимеризации микротрубочек, которые позволяют проводить динамическое ремоделирование митотического веретена для содействия конгрессу хромосом и достижению биполярности . Суперсемейство MAP кинезина -13 содержит класс моторных белков, направленных на плюс-конец, с ассоциированной активностью деполимеризации микротрубочек, включая хорошо изученные MCAK млекопитающих и Xenopus XKCM1. MCAK локализуется на растущих кончиках микротрубочек на кинетохорах, где он может вызвать катастрофу в прямой конкуренции со стабилизирующей активностью +TIP. [15] Эти белки используют энергию гидролиза АТФ для индуцирования дестабилизирующих конформационных изменений в структуре протофиламентов, которые вызывают высвобождение кинезина и деполимеризацию микротрубочек. [16] Потеря их активности приводит к многочисленным митотическим дефектам. [15] Дополнительные белки, дестабилизирующие микротрубочки, включают Op18/ статмин и катанин , которые играют роль в ремоделировании митотического веретена, а также способствуют сегрегации хромосом во время анафазы. [17]
Активность этих MAP тщательно регулируется для поддержания правильной динамики микротрубочек во время сборки веретена, при этом многие из этих белков служат субстратами киназы типа Aurora и Polo . [17] [18]
В правильно сформированном митотическом веретене биориентированные хромосомы выровнены вдоль экватора клетки, при этом микротрубочки веретена ориентированы примерно перпендикулярно хромосомам, их плюс-концы встроены в кинетохоры, а минус-концы закреплены на полюсах клетки. Точная ориентация этого комплекса необходима для обеспечения точной сегрегации хромосом и определения плоскости деления клетки. Однако остается неясным, как организуется веретено. В этой области доминируют две модели, которые являются синергетическими и не исключают друг друга. В модели поиска и захвата веретено преимущественно организовано путем разделения к полюсам центров организации центросомных микротрубочек (ЦОМТ). Микротрубочки веретена исходят из центросом и «ищут» кинетохоры; когда они связываются с кинетохорой, они стабилизируются и оказывают натяжение на хромосомы. В альтернативной модели самосборки микротрубочки подвергаются ацентросомной нуклеации среди конденсированных хромосом. Ограниченные клеточными размерами, боковыми связями с антипараллельными микротрубочками через двигательные белки и концевыми прикреплениями к кинетохорам, микротрубочки естественным образом принимают веретенообразную структуру с хромосомами, выровненными вдоль экватора клетки.
В этой модели микротрубочки зарождаются в центрах организации микротрубочек и подвергаются быстрому росту и катастрофе, чтобы «поискать» в цитоплазме кинетохоры. Как только они связываются с кинетохором, они стабилизируются, и их динамика снижается. Новая моноориентированная хромосома колеблется в пространстве около полюса, к которому она прикреплена, пока микротрубочка с противоположного полюса не свяжет сестринскую кинетохору. Это второе присоединение еще больше стабилизирует прикрепление кинетохоры к митотическому веретену. Постепенно биориентированная хромосома тянется к центру клетки, пока натяжение микротрубочек не будет сбалансировано по обе стороны от центромеры ; затем конгрессированная хромосома колеблется в метафазной пластинке , пока начало анафазы не освободит сцепление сестринских хроматид.
В этой модели центры организации микротрубочек локализуются на полюсах клетки, а их разделение обусловлено полимеризацией микротрубочек и «скольжением» антипараллельных веретенообразных микротрубочек относительно друг друга в средней зоне веретена, опосредованным биполярными кинезинами, направленными на плюс-конец. [19] [20] Такие скользящие силы могут объяснять не только разделение полюсов веретена на ранней стадии митоза, но и удлинение веретена во время поздней анафазы.
В отличие от механизма поиска и захвата, в котором центросомы в значительной степени диктуют организацию митотического веретена, эта модель предполагает, что микротрубочки зарождаются ацентросомно вблизи хромосом и спонтанно собираются в антипараллельные пучки и принимают веретеноподобную структуру. [21] Классические эксперименты Хилда и Карсенти показывают, что функциональные митотические веретена и ядра формируются вокруг покрытых ДНК шариков, инкубированных в экстрактах яиц Xenopus , и что биполярные массивы микротрубочек образуются при отсутствии центросом и кинетохор. [22] Действительно, также было показано, что лазерная абляция центросом в клетках позвоночных не ингибирует ни сборку веретена, ни сегрегацию хромосом. [23] Согласно этой схеме, форма и размер митотического веретена являются функцией биофизических свойств сшивающих моторных белков. [24]
Фактор обмена гуаниновых нуклеотидов для малой ГТФазы Ran (регулятор конденсации хромосом 1 или RCC1 ) прикрепляется к нуклеосомам через основные гистоны H2A и H2B. [25] Таким образом, градиент ГТФ-связанного Ran образуется вокруг митотического хроматина. Стеклянные бусины, покрытые RCC1, вызывают зарождение микротрубочек и образование биполярного веретена в экстрактах яиц Xenopus , показывая, что градиент Ran GTP сам по себе достаточен для сборки веретена. [26] Градиент запускает высвобождение факторов сборки веретена (SAF) из ингибирующих взаимодействий через транспортные белки импортин β/α. Затем несвязанные SAF способствуют зарождению микротрубочек и стабилизации вокруг митотического хроматина, а биполярность веретена организуется моторными белками микротрубочек. [27]
Сборка веретена в значительной степени регулируется событиями фосфорилирования, катализируемыми митотическими киназами. Циклинзависимые киназные комплексы (CDK) активируются митотическими циклинами, трансляция которых увеличивается во время митоза. CDK1 (также называемый CDC2) считается основной митотической киназой в клетках млекопитающих и активируется циклином B1. Киназы Aurora необходимы для правильной сборки и разделения веретена. [28] Aurora A ассоциируется с центросомами и, как полагают, регулирует митотический вход. Aurora B является членом хромосомного пассажирского комплекса и опосредует присоединение хромосомы к микротрубочкам и сцепление сестринских хроматид. Polo-подобная киназа, также известная как PLK, особенно PLK1, играет важную роль в поддержании веретена, регулируя динамику микротрубочек. [29]
К концу репликации ДНК сестринские хроматиды связываются вместе в аморфную массу запутанной ДНК и белка. Митотический вход запускает драматическую реорганизацию дублированного генома, в результате чего сестринские хроматиды распутываются и отделяются друг от друга. Хромосомы также укорачиваются в длину, до 10 000 раз в клетках животных, [30] в процессе, называемом конденсацией. Конденсация начинается в профазе, и хромосомы максимально уплотняются в стержнеобразные структуры к тому времени, когда они выстраиваются в середине веретена в метафазе. Это придает митотическим хромосомам классическую форму «X», наблюдаемую в кариотипах , при этом каждая конденсированная сестринская хроматида связана по своей длине белками когезина и соединена, часто около центра, в центромере . [30] [31] [32]
Хотя эти динамические перестройки жизненно важны для обеспечения точной и высокоточной сегрегации генома, наше понимание структуры митотической хромосомы остается в значительной степени неполным. Однако было идентифицировано несколько конкретных молекулярных игроков: Топоизомераза II использует гидролиз АТФ для катализа декатенации переплетений ДНК, способствуя разрешению сестринских хроматид. [33] Конденсины представляют собой 5-субъединичные комплексы, которые также используют гидролиз АТФ для содействия конденсации хромосом. [34] Эксперименты с экстрактами яиц Xenopus также выявили линкерный гистон H1 как важный регулятор уплотнения митотических хромосом. [35]
Завершение формирования веретена является важнейшей точкой перехода в клеточном цикле, называемой контрольной точкой сборки веретена . Если хромосомы не прикреплены должным образом к митотическому веретену к моменту этой контрольной точки, начало анафазы будет отложено. [36] Неудача в контрольной точке сборки веретена может привести к анеуплоидии и может быть связана со старением и образованием рака. [37]
Ориентация деления клеток имеет большое значение для архитектуры ткани, судеб клеток и морфогенеза. Клетки имеют тенденцию делиться вдоль своей длинной оси в соответствии с так называемым правилом Гертвига . Ось деления клеток определяется ориентацией веретенного аппарата. Клетки делятся вдоль линии, соединяющей две центросомы веретенного аппарата. После формирования веретенный аппарат подвергается вращению внутри клетки. Астральные микротрубочки, происходящие из центросом, достигают клеточной мембраны, где они притягиваются к определенным кортикальным подсказкам. In vitro распределение кортикальных подсказок устанавливается адгезивным рисунком. [38] In vivo сигналы полярности определяются локализацией трехклеточных соединений, локализованных в вершинах клеток. [39] Пространственное распределение кортикальных подсказок приводит к силовому полю, которое определяет окончательную ориентацию веретенного аппарата и последующую ориентацию деления клеток.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Медиа, связанные с аппаратом Spindle на Wikimedia Commons