Деление клеток – фундаментальный процесс жизни, однако ученые долгое время не могли до конца объяснить, как он протекает на самых ранних стадиях развития эмбрионов, особенно у яйцекладущих животных. Исследователи из Дрезденского технического университета обнаружили ранее неизвестный механизм, который позволяет огромным эмбриональным клеткам делиться без полного сократительного кольца – структуры, которая долгое время считалась необходимой. Результаты, опубликованные в журнале «Nature», бросают вызов классическим представлениям, демонстрируя, как компоненты клеточного скелета и физические свойства цитоплазмы работают сообща по принципу «механической трещотки».
Согласно учебникам, клетки делятся с помощью кольца из белка актина, которое формируется посередине. Эта структура затягивается, как шнурок на мешке, разделяя клетку на две дочерние. Однако эта модель не объясняет деление у видов с очень крупными эмбриональными клетками, таких как акулы, утконосы, птицы и рептилии. Из-за огромного размера клетки и большого желтка актиновое кольцо не может замкнуться полностью. Годами оставалось загадкой, как этим клеткам удается разделиться.
Чтобы найти ответ, ученые обратились к эмбрионам рыбок данио, которые развиваются быстро и на ранних стадиях также содержат крупные, богатые желтком клетки. Используя лазер для точного разрезания актиновой полосы, исследователи обнаружили, что она продолжает двигаться внутрь даже после разрыва. Это навело на мысль, что ее поддерживает нечто иное по всей длине. Оказалось, что ключевую роль играют микротрубочки – другая важная часть клеточного скелета. Когда ученые химически или физически нарушали их структуру, актиновая полоса разрушалась, доказывая, что именно микротрубочки обеспечивают ей необходимую механическую поддержку.
Дальнейшие эксперименты показали, что свойства самой цитоплазмы – внутреннего содержимого клетки – циклически меняются. Чтобы измерить ее жесткость, ученые помещали внутрь клеток магнитные шарики и отслеживали их движение под действием магнитного поля. Выяснилось, что в период между делениями (в интерфазе) цитоплазма становится более жесткой, создавая своего рода каркас, который стабилизирует актиновую полосу. А во время самого деления (в М-фазе) она, наоборот, становится более текучей, позволяя полосе сжиматься и продвигаться внутрь.
Это привело к главному открытию – механизму «механической трещотки». Во время текучей М-фазы актиновая полоса сжимается, но рискует потерять стабильность. Однако, поскольку у эмбрионов циклы деления очень быстрые, клетка успевает войти в следующую интерфазу. В этот момент цитоплазма снова застывает, фиксируя достигнутый прогресс и не давая полосе разойтись обратно. Этот процесс повторяется несколько циклов: сжатие в текучей фазе и фиксация в жесткой. Так, шаг за шагом, клетка завершает деление, не нуждаясь в полностью замкнутом кольце. «Этот механизм кардинально меняет наш взгляд на то, как работает деление клеток», – подчеркнул руководитель исследования Ян Брюгес. Открытие предлагает новое понимание раннего эмбрионального развития и подчеркивает важность физических свойств клетки в управлении биологическими процессами.
