Обязательным компонентом любой эукариотической клетки являются микротрубочки, из которых образуется митотическое веретено в процессе клеточного деления. Это полые трубки диаметром 25 нанометров, стенки которых построены из белка тубулина [1]. Микротрубочки – самые прочные из элементов цитоскелета; это высоко динамичные полярные структуры, с которыми связывается множество различных белков. Важнейшими среди них являются так называемые микротрубочковые моторы, которые способны быстро перемещать различные клеточные органеллы, используя энергию АТФ, вдоль микротрубочек в заданном направлении [2]. Поэтому основная функция микротрубочек в интерфазных клетках – это осуществление внутриклеточного транспорта, позиционирование органелл, поляризация клетки и направленное клеточное движение, а также формирование жгутиков и ресничек.

Гены семейства тубулинов присутствовали уже у древнейшего общего предка всех форм жизни. Большинство современных прокариот имеют, как минимум, один гомолог тубулина, однако не образуют структур, хоть сколько-нибудь похожих на микротрубочки. Общий предок всех эукариот, судя по всему, уже обладал не только микротрубочками, но и моторными белками, необходимыми для внутриклеточного транспорта [3]. В современных эукариотических клетках архитектура системы микротрубочек может сильно варьировать. Даже митотическое веретено может образовываться не в цитоплазме делящейся клетки, а внутри ядра – как это наблюдается у организмов с так называемым закрытым митозом. Строение системы микротрубочек в интерфазе обычно соответствует функциям, которые выполняют микротрубочки в клетках данного типа: это может быть радиальная звезда или параллельные пучки микротрубочек, а также достаточно хаотичное их переплетение. Общую морфологию тубулинового цитоскелета в каждом случае определяет работа центров организации микротрубочек, например, центросомы.

Поляризация тубулинового цитоскелета в интерфазе и ориентирование веретена деления в митозе определяют процессы дифференцировки тканей у высших многоклеточных эукариот, поэтому даже небольшие нарушения в работе тубулинового цитоскелета приводят к необратимым нарушениям развития организма. Различного рода ингибиторы, воздействующие на тубулин, являются митостатиками, применяющимися при различных видах химиотерапии.

Практически невозможно представить себе эукариотическую клетку, не содержащую микротрубочек. Однако, за последние полвека клеточными биологами были описаны два одноклеточных организма, которые являются исключением из правил. У амёбы Entamoeba histolytica и амебоидной формы другого простейшего, Naegleria gruberi, микротрубочки полимеризуются лишь в ходе митоза, чтобы затем опять исчезнуть в интерфазе [4]. Эти простейшие с начала семидесятых годов прошлого века служат уникальным модельным объектом для изучения тубулинового цитоскелета. Однако до последнего времени никому не приходило в голову поискать нечто похожее среди многоклеточных организмов. И действительно, без интерфазных микротрубочек неизбежно нарушение поляризации клеток и направленного движения клеточных пластов в ходе эмбриогенеза, что должно приводить к нарушениям развития многоклеточного организма.

В рассматриваемой статье (Golyshev et al, 2024) коллектив авторов из МГУ и Института биологии развития исследовал тубулиновый цитоскелет холодноводной морской губки Halisarca. dujardini, в изобилии обитающими в Белом море. Организм губок не имеет разделения на ткани, однако они содержат несколько разных типов клеток. Губки являются фильтраторами, благодаря биению жгутиков специализированных клеток – хоаноцитов создаётся ток морской воды. Кроме того, губки обладают удивительной способностью к регенерации и могут не только быстро залечивать повреждения тела, но и восстанавливать целый новый организм из отдельных клеток, которые способны собираться в агрегаты из гомогенной суспензии [4]. Всё это возможно благодаря высокой плюрипотентности клеток губок и их способности к трансдифференцировке – свойствам, постепенно утраченным в ходе эволюции большинством клеток в специализированных тканях высших многоклеточных. Оказалось, что такие способности губок – ещё не самое удивительное свойство с точки зрения клеточного биолога.

Было обнаружено, что у губок H. dujardini микротрубочки можно наблюдать практически исключительно в составе жгутиков хоаноцитов, движение которых обеспечивает питание всего организма губки. Транскриптомный анализ при этом выявлял наличие мРНК, кодирующих не только тубулины, необходимые для сборки самих микротрубочек, но также и субъединицы цитоплазматического белка динеина. Этот моторный белок, в отличие от аксонемного динеина, обеспечивает не подвижность жгутика, а минус-концевой транспорт по цитоплазматическим микротрубочкам. Данные вестерн-блота указывали на наличие в лизатах губки тубулина; однако ни иммунофлюоресцентная конфокальная микроскопия, ни трансмиссионная электронная микроскопия не помогли обнаружить цитоплазматические микротрубочки: лишь менее одного процента от общего числа клеток в срезах губки содержали этот незаменимый компонент цитоскелета.

Подобное открытие выглядело обескураживающим – ведь без микротрубочек принципиально невозможен митоз. А значит, оставалось предположить, что микротрубочки могут возникать в клетках губок перед делением, и затем исчезать снова. Чтобы проверить утверждение о возможности внезапного появления микротрубочек в пустующей цитоплазме клеток, авторы суспендировали губок и исследовали одиночные клетки в получившейся суспензии. Оказалось, что в ходе трансдифференцировки, которая стартовала в одиночных клетках сразу после измельчения губки, в цитоплазме интерфазных клеток и впрямь в изобилии полимеризовались микротрубочки. Спустя некоторое время, после окончания процессов дифференцировки, они исчезали и интерфазные клетки губок, культивируемые in vitro, вновь не содержали цитоплазматических микротрубочек. Таким образом, в результате данной работы авторам удалось впервые показать не только отсутствие интерфазных микротрубочек в клетках многоклеточного организма, но и продемонстрировать возможность их обратимого появления.

Эволюционно древние многоклеточные эукариотические организмы, к которым относятся Porifera, не имеют специализированных тканей. Кроме того, клетки губок имеют небольшие линейные размеры и обычно имеют в поперечном сечении всего несколько микрометров, в отличие от клеток человека и животных, размеры которых составляют обычно как минимум десятки микрон. Такие мелкие клетки вполне могут существовать и без специализированных механизмов эффективного внутриклеточного транспорта, жизненно необходимых для выживания их более крупных «собратьев». По всей видимости, морские губки, возникшие в ходе эволюции, использовали микротрубочки для построения веретена деления, однако тогда эти цитоскелетные структуры являлись факультативными и разбирались в интерфазе за ненадобностью. Данная работа проливает свет на ранние этапы эволюции тубулинового цитоскелета у эукариот.

Литература:

1 Dustin, P. Microtubules. Sci. Am. 1980, 243, 66–76.

2 Vallee, R.B.; Williams, J.C.; Varma, D.; Barnhart, L.E. Dynein: An ancient motor protein involved in multiple modes of transport. J. Neurobiol. 2004, 58, 189–200. https://doi.org/10.1002/neu.10314

3 Chung, S.; Cho, J.; Cheon, H.; Paik, S.; Lee, J. Cloning and characterization of a divergent alpha-tubulin that is expressed specifically in dividing amebae of Naegleria gruberi. Gene 2002, 293, 77–86. https://doi.org/10.1016/S0378-1119(02)00509-7

4 Ereskovsky, A.; Borisenko, I.E.; Bolshakov, F.V.; Lavrov, A.I. Whole-Body Regeneration in Sponges: Diversity, Fine Mechanisms, and Future Prospects. Genes 2021, 12, 506. https://doi.org/10.3390/genes12040506

Рисунок 1.На поперечных срезах губки видны микротрубочки в жгутиках, но не в цитоплазме клеток

(а) Трансмиссионная электронная микроскопия ультратонких срезов Halisarca dujardini. Слева пять разрезанных поперек жгутиков обозначены красными стрелками. Один их жгутиков показан в увеличенном виде, чтобы продемонстрировать его характерное внутреннее строение. В середине и справа показаны микротрубочки на продольных срезах жгутиков, отходящих от кинетосом. В цитоплазме хоаноцитов или в клетках без жгутиков микротрубочки не видны;

(b) показано выравнивание аминокислотной последовательности α-тубулина человека и α-тубулинов Halisarca dujardini; налицо полное совпадение этих последовательностей у человека и губки. Выделенные области рядом с рамками обозначают эпитопы для используемых в работе антител к тубулину.

(с) Вестерн-блот лизатов Halisarca dujardini, окрашенных антителами к тубулину и ацетилированному тубулину демонстрирует способность соответствующих антител связываться с антигенами губки.

(d) сумма 32 последовательных снимков среза губки, окрашенного антителами к тубулину (зеленый) и ацетилированному тубулину (красный); хроматин окрашен в синий цвет.

(e,f) одиночные кадры из стопки с панели (d). Белые стрелки (совпадающее окрашивание на ацетилированный тубулин и тубулин) и желтые (лишь на ацетилированный тубулин) обозначают стабилизированные микротрубочки в составе жгутиков. Пурпурные стрелки указывают на динамические цитоплазматические микротрубочки, окрашенные антителами лишь к тубулину, но не к ацетилированному тубулину.

Рисунок 2. Трансдифференцировка клеток губок сопровождается внезапным появлением многочисленных микротрубочек в цитоплазме.

(а) Различые клеточные фенотипы в суспензии клеток губки.

(b,c,d) Иммунофлуоресцентное окрашивание дифференцирующихся одиночных клеток губки из суспензии антителами к тубулину демонстрируют появление в них многочисленных динамичных цитоплазматических микротрубочек. Звёздочкой помечено митотическое веретено делящейся клетки, двумя звёздочками – безъядерный цитопласт с радиальной системой микротрубочек.

(е) Пример морфологических изменений одиночной клетки губки в течение нескольких минут в ходе дифференцировки (раскадровка видео).

(f,g) – Иммунофлуоресцентная и трансмиссионная электронная микроскопия одиночных клеток губки после завершения процессов дифференцировки. Цитоплазма клеток не содержит микротрубочек.

Новость подготовила
© В.Е.Дьяконова
29.07.2024