Когда хромосомы танцуют

В Лаборатории биофизики клетки МГУ изучают митоз — завораживающий процесс деления клетки, где стирается грань между «чистой» и прикладной наукой. Решение фундаментальных задач сулит появление новых лекарств, а разработка фармы продвигает вперед теорию
Когда хромосомы танцуют
Митоз — самый распространенный способ размножения эукариотических клеток. Из одной материнской клетки образуются две дочерние с одинаковыми наборами хромосом. Хромосомы — голубые, микротрубочки веретена деления — желтые
nikonsmallworld.com

Старший научный сотрудник физфака МГУ биофизик Никита Гудимчук — крайне ценный и столь же редкий тип исследователя, обитающего на российских научных просторах. К своим тридцати двум годам он успел поработать в нескольких престижных американских лабораториях (в университетах Колорадо и Пенсильвании), опубликовать статьи в лучших научных журналах мира (Nature Cell Biology, Journal of Cell Biology, PNAS и др.) — и вернуться на родину. Последний свой шаг Никита объясняет туманно («Ну… как вам сказать…»), зато о своей работе говорит стихами:

magnifier.png К своим 32 годам Никита Гудимчук успел поработать в нескольких престижных американских лабораториях, опубликовать статьи в лучших научных журналах мира — и вернуться на родину

— Изучая механику клеточного деления, мы балансируем на грани между живой и неживой материей. С одной стороны, мы имеем дело с отдельными белковыми молекулами и нуклеотидами, которые трудно назвать живыми организмами. Но вот они начинают взаимодействовать и вытворять удивительные вещи: образуют так называемое «веретено деления», которое с абсолютной точностью и проворством распределяет наш генетический материал по двум дочерним клеткам. То есть ведет себя как живое. По крайней мере, сознание отказывается его по-другому воспринимать. Как происходит это превращение? Как из относительно простых неживых деталей формируются сверхсложные живые системы? В этих фундаментальных вопросах мы и пытаемся хоть немного разобраться. Попутно возникают интересные прикладные задачи, ведь, понимая процесс деления клетки, мы можем его контролировать, а значит, эффективнее лечить, например, онкологические заболевания.

Осуществлять амбициозные планы Никите Гудимчуку помогает команда из еще более молодых и не менее перспективных сотрудников, в основном магистров и аспирантов МГУ и Физтеха. Никита возглавляет одно из направлений работ Лаборатории биофизики клетки МГУ, общее руководство которой осуществляет гуру-биофизик мирового масштаба, профессор и членкор РАН Фазоил Атауллаханов.


МИТОЗ ГУДИМЧУК.png
Старший научный сотрудник физфака МГУ биофизик Никита Гудимчук
Дарья Дувидзон

 

Балетмейстер хромосом

«Каждую секунду в нашем теле сотни миллионов неодушевленных, но очень дисциплинированных маленьких балерин сходятся, расходятся, выстраиваются в ряд и разбегаются в разные стороны… словно танцоры на балу, исполняющие сложные па старинного танца. Это древнейший на Земле танец. Танец Жизни. В таких танцах клетки тела пополняют свои ряды. И мы растем и существуем» — так описывал митоз американский генетик и нобелевский лауреат Генри Джозеф Мёллер.

magnifier.png  Каждую секунду в нашем теле сотни миллионов неодушевленных, но очень дисциплинированных маленьких балерин сходятся, расходятся, выстраиваются в ряд и разбегаются в разные стороны, словно танцоры на балу, исполняющие сложные па старинного танца

В клетках человека этот танец длится около получаса. В роли «балерины» выступают хромосомы — хранилища сверхкомпактно упакованных нитей ДНК. Перед началом «выступления» наши 46 хромосом удваиваются: каждая получает свою точную копию. Словно поднимающийся занавес, исчезает ядерная оболочка, и балерины рассыпаются в пространстве клеточной сцены. Причем балерины-близняшки танцуют вместе, взявшись за руки, — каждая пара одинаковых хромосом связана в участке центромеры.

Кульминация наступает в тот момент, когда танцовщицы выстраиваются в линию посередине сцены. Затем следует стремительная развязка — они отпускают друг друга и разбегаются в противоположные стороны — к полюсам деления, к центрам образования новых клеток. Две идентичные группы хромосом превращаются в два ядра, вокруг ядер скапливаются равные наборы органелл, а материнская клетка делится перетяжкой надвое, оставляя своим «дочкам» по абсолютно одинаковому набору генов. И точность здесь чрезвычайно важна. Новорожденные клетки, получившие разные наборы хромосом, в лучшем случае покончат жизнь самоубийством или их уничтожит иммунная система организма. В худшем — они превратятся в злокачественные опухоли. Поэтому за порядком на подмостках клетки строго следит балетмейстер хромосом — клеточный скелет.



Реальный процесс деления клетки. Зеленым цветом маркированы микротрубочки, красным — хромосомы. На 15-й секунде можно наблюдать, как механизм веретена деления совершает ошибку, разделяя материнскую клетку на три дочерние, что иногда случается. Такие клетки ждет печальная судьба


— Точнее, этим занимаются микротрубочки, один из компонентов цитоскелета, — рассказывает Никита Гудимчук. — Они представляют собой трубчатые полимерные стержни диаметром 25 нанометров. Стенка трубки строится из 13 параллельно склеенных между собою цепочек — протофиламентов. Каждое звено цепочки — димер белка тубулина, молекулы, состоящей из двух половинок-мономеров, альфа- и бета. Конструкция трубочек очень жесткая: если мысленно увеличить ее до размеров стержня диаметром спагетти (около 2 мм), такая «спица» не прогнулась бы, будь она длиною в сотни метров — с высоту современных небоскребов!

МИТОЗ МИКРОТРУБКА copy.png
Элементарный «кирпичик», из которого строятся микротрубочки, - димер белка тубулина. Находится в цитоплазме клетки и в самих микротрубочках в виде связанных между собой двух молекул – альфа-тубулина и бета-тубулина
Wikipedia

    Центром сборки микротрубочек служит специальная органелла — центросома, расположенная близ клеточного ядра. Расходясь лучами из центросомы, тысячи микротрубочек формируют каркас клетки и ее транспортную систему. По ним, как по рельсам, непрерывно путешествуют моторные белки, перевозя все необходимые для жизнедеятельности клетки грузы.

magnifier.png Кульминация наступает в тот момент, когда танцовщицы выстраиваются в линию посередине сцены. Затем следует стремительная развязка — близняшки отпускают друг друга и разбегаются в противоположные стороны — к полюсам деления, к центрам образования новых клеток

Жизнь микротрубочки полна динамики — она либо растет, либо укорачивается. Исчезая в одном месте и удлиняясь в другом, микротрубочки проникают в самые отдаленные области клетки.

— Во время митоза удвоенные центросомы расходятся, образуя два полюсам деления, — рассказывает Никита Гудимчук. — Формирующиеся из них микротрубочки благодаря своей непрерывной осциллирующей сборочно-разборочной динамике как бы ощупывают внутриклеточное пространство в поисках хромосом. А найдя, цепляются к ним и тащат к экватору клетки, выстраивая их в так называемую метафазную пластинку. Им активно помогают моторные белки, которыми усеяна поверхность хромосом. Некоторые моторчики сидят на «плечах» хромосом, другие же обитают прямо посередине их Х-образного тельца. Как, например, кинезин CENP-E, жизнедеятельности которого была посвящена моя кандидатская диссертация. Приземлившись на поверхность микротрубочки, он шагает к ее концу, таща за собой хромосому. Сделав свое дело, он передает эстафету другим белкам кинетохора — сложному комплексу, который, как набалдашник, крепится на каждой хромосоме в районе ее центромеры.


    Фрагмент видео «Внутренняя жизнь клетки» (The Inner Life of the Cell), производства BoiVisions Harvard University. Шагающий по поверхности микротрубочке моторный белок кинезин тащит за собой везикулу – «мешочек» из мембраны, в котором запасаются или перевозятся питательные вещества


Натянутые отношения

Пожалуй, это единственный момент в танце хромосом, когда в их рядах царит абсолютная симметрия. Хромосомные пары застыли в экваториальной плоскости клетки, оба партнера смотрят в противоположные стороны — в направлении полюсов деления. Из ближайших центросом к ним протянулись микротрубочки. Зацепившись концами за кинетохоры, они немного растягивают сестринские хромосомы друг от друга. Еще мгновение, и микротрубочки начнут стремительно укорачиваться, разделяя и увлекая за собой хромосомы. Этот механизм получил название «веретено деления» клетки.

magnifier.png Центром сборки микротрубочек служит специальная органелла — центросома, расположенная близ клеточного ядра. Расходясь лучами из центросомы, тысячи микротрубочек формируют каркас клетки и ее транспортную систему

Но что если микротрубочки, выросшие из одной центросомы, прикрепятся неправильно? К обоим сестринским хромосомам сразу или хромосоме, которой положено отойти к противоположному полюсу деления? Это неизбежно приведет к ошибке распределения наследственной информации, а значит, к крайне негативным последствиям. К счастью, природой предусмотрен сенсор, отслеживающий корректность закрепления микротрубочек.

— Поверхность кинетохора «ворсистая», с нее свисает множество белковых ниточек — фибрилл, — объясняет Никита Гудимчук. — Они-то, предположительно, и связываются с концами микротрубочек. Прочность крепления регулируются специальным белком с поэтическим названием Aurora B киназа. Его концентрация максимальна в центре соединения сестринских хромосом и резко спадает при удалении от центра. Смысл существовании Aurora B киназы — рушить связи фибриллок с микротрубочками. Неправильно зацепившиеся микротрубочки не могут с нужно силой растянуть сестринские хромосомы в стороны полюсов. Хромосомы остаются прижатыми друг к другу, а микротрубочки подпадают под все увеличивающееся влияния Авроры и в конечном счете отпадают. Прикрепившиеся верно, наоборот, уходят от ее воздействия, их связь с фибриллами крепнет, и уже ничто не мешает им тащить хромосому к правильному полюсу деления. Удивительно изящное решение!

МИТОЗ СХЕМА22222.png
Схема коррекции ошибок закрепления микротрубочек ферментом Aurora B, область действия которого обозначена прямоугольником. Красные кружки – кинетохоры – сложные и до конца не изученные белковые комплексы, расположенные на каждой хромосоме в районе центромеры и служащие для закрепления с микротрубочками веретена деления. Зеленые линии – микротрубочки, зеленые кружочки – центросомы. Светлые овалы – белки когезины, которые скрепляют сестринские хромосомы до момента их разделения

    

Идея рычага

Долгое время исследователи митоза, в основном биологи, принимали в штыки гипотезу о том, что микротрубочки могут самостоятельно развивать силу и перемещать хромосомы. Само собой полагалось, что это удел исключительно моторных белков. Взявшиеся за дело физики в корне изменили представления о механике «веретена деления».

magnifier.png Честно говоря, мы мало чего понимаем в митозе. Лишь некоторые детали. Неясна архитектура кинетохора, имеется масса вопросов к самим микротрубочкам

— Почему и как именно микротрубочка укорачивается? — риторически вопрошает Гудимчук. — Причина в том, что димер тубулина, из которого состоят микротрубочки, присоединяет к себе нестабильную химическую молекулу ГТФ и со временем ее расщепляет. Выделившаяся при этом энергия изменяет форму тубулина так, что взаимодействие между соседними димерами ослабевает. Это приводит к тому, что каждая из 13 цепочек-протофиломентов начинает загибаться наружу — микротрубочка расслаивается. А что, если каждый загибающийся протофиламент, подобно рычагу, способен совершать полезную работу по перемещению хромосомы?

Эту идею успешно осуществила команда Фазоила Атауллаханова совместно с группой Дика Макинтоша из Университета Колорадо в Боулдере. Сначала на поверхность микротрубочки был закреплен стеклянный шарик микронных размеров, а потом с помощью технологии лазерного пинцета (автор которой, Артур Эшкин, получил в этом году Нобелевскую премию по физике ) была измерена сила, с которой изгибающиеся протофиламенты давят на шарик. Оказалось, что одна микротрубочка способна развивать силу порядка 70 пиконьютонов (10−12), что в масштабах клетки довольного много. Для сравнения: одного молекулярного моторчика хватает лишь на пять пиконьютонов.

НОВЫЙ ВАРИАНТ1.png
Моделирование разбирающейся микротрубочки с закрепленным на ее поверхности стеклянным шариком
Grishchuk et al., Nature (2005)

    Окончательно убедиться в том, что микротрубочки — основные движители хромосом, позволили результаты еще одно прорывного исследования, выполненного тем же коллективом ученых. В культуре дрожжевых клеток были ликвидированы все моторные белки. И ничего критическогоо не случилось — клетки продолжили делиться, как прежде.

— Расщепляющаяся микротрубочка, по всей видимости, тянет хромосому, непрерывно дергая за веревочки-фибриллы ее кинетохора, — поясняет Никита Гудимчук. — Фибрилок много, своими концами они постоянно связываются то с одним, то с другим изгибающимся протофиламентом. Любопытно, что при внушительной силе, которую развивают микротрубочки, они тащат хромосомы медленно, со скоростью всего один микрон в минуту. Она делает это подобно трактору, с большим запасом мощности, чтобы наверняка доставить ценный груз куда требуется. Ничего подобного в привычном нам макромире человеку еще не удалось создать. Ну или пока не удалось.


Компьютерная модель движения кинетохора, закрепленного фибриллами за конец разбирающейся микротрубочки. Источник: McIntosh et al., Cell (2008)


Ускользающая грань

Никита Гудимчук уточняет: за его популярными объяснениями стоят сложные, еще плохо изученные явления.

— Честно говоря, мы мало чего понимаем в митозе. Лишь некоторые детали. Неясна архитектура кинетохора, имеется масса вопросов к самим микротрубочкам. Но знание некоторых нюансов позволяет нам работать в прикладном направлении. Например, известно, что основную роль в закреплении микротрубочки на кинетохоре играет белковый комплекс NDC80. В ходе многолетних исследований мы довольно четко представляем, как именно он работает. И сейчас пытаемся разработать молекулу, которая бы его «выключала». Эти исследования поддержаны грантом РНФ для научных групп под руководством молодых ученых.

Дарья Дувидзон // Группа изучения митоза. Слева направо: Максим Вовченко, Алена Коршунова,  Александр Костарев,  Вадим Мустяца,  Юлия Лопанская,  Никита Гудимчук
Группа изучения митоза. Слева направо: Максим Вовченко, Алена Коршунова, Александр Костарев, Вадим Мустяца, Юлия Лопанская, Никита Гудимчук
Дарья Дувидзон

Нахождение такой молекулы, по словам Никиты, позволит создать новое поколение противораковых лекарств. Многие современные препараты, призванные остановить бесконтрольное размножение опухолевых клеток, воздействуют именно на микротрубочки — либо «замораживая», либо расщепляя их и тем самым разрушая механизм деления и здоровых клеток. Результат — огромный список побочных действий.

— Особенно тяжело приходится нервной системе, — уточняет Никита. — Наши нейроны способны достигать в длину около метра, перенос веществ и энергии от ядра к далекой периферии для них особенно важен. Чем и занимаются там микротрубочки. Поэтому их поломка приводит к серьезным нейродегенеративным эффектам: тремор, невралгия, ухудшение памяти и так далее. Мы же пытаемся этого избежать, прицельно воздействуя только на крепление микротрубочки к кинетохору. Клетка теряет способность делиться, но микротрубочки продолжают выполнять свои важные функции.

Прикладное и фундаментальное направление деятельности своей научной группы Никита Гудимчук разделяет специально для журналистов, инвесторов или составления заявок на гранты. Реальный исследовательский мотив всего один — отыскать постоянно ускользающую грань между живой и неживой материей.

— Научившись блокировать NDC80, мы получим отличную возможность разобраться, как работают остальные белки кинетохора, а значит, лучше понять общий механизм митоза. Поэтому я не могу сказать, где в нашей работе проходит деление «чистой» науки на прикладную, — признается Никита Гудимчук.

Еще по теме