Коллективом ученых 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 и необходимую жесткость, помогает ей двигаться и транспортировать вещества и органеллы. Один из основных компонентов клеточного скелета – 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. Однако такие структуры обладают еще и замечательным свойством непрерывно удлиняться или укорачиваться, спонтанно переключаясь между этими состояниями. Это 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. 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, наличие или отсутствие стабилизирующей шапки не объясняет «старение» микротрубочек, их склонность со временем все чаще переключаться между сборкой и разборкой, а также не позволяет понять, почему эта структура 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 предположением, что на динамическое поведение микротрубочки влияет структура ее конца. Для этого ученые учли, что микротрубочка состоит из 13 цепочек продольно связанных тубулинов – протофиламентов. При этом каждый протофиламент в равновесии имеет изогнутую форму, но в теле микротрубочки они 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 данная зона, 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.
Авторы работы также обнаружили, что на процесс переключения микротрубочек от разборки к сборке сильно влияют повреждения их решетки при контакте с другими объектами. Для этого с помощью метода фотолитографии были созданы микропьедесталы на поверхности покровного стекла. Ученые впервые с помощью оптической микроскопии наблюдали сборку и разборку микротрубочек, которые были изолированы от поверхности покровного стекла в очищенной системе.
«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», – пояснил руководитель проекта, старший научный сотрудник кафедры биофизики физического факультета МГУ Никита 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.
