Обмежена концентрація білків призвела до утворення мікротрубочок двох довжин

Біофізики розробили теоретичну модель, яка описує зміну довжини мікротрубочок, зокрема, при формуванні веретену поділу під час мітозу. Виявилося, що якщо кількість вільних білків, що впливають на процеси полімеризації та деполімеризації мікротрубочок, обмежена, то для них характерно відразу дві рівноважних довжини, між якими може відбуватися фазовий перехід, пишуть вчені в.

Один з основних компонентів цитоскелета - мікротрубочки. Це циліндричні утворення діаметром близько 25 нанометрів і довжиною від одиниць до сотень мікрометрів, що складаються з молекул тубуліну. За рахунок руху по тубуліну моторних білків - кінезину або дінеїну - мікротрубочки забезпечують протікання багатьох динамічних процесів у клітці, пов'язаних зі зміною її форми, транспортом речовин і рухом клітинних органоїдів. Зокрема, мікротрубочки беруть активну участь у поділі клітини: вони утворюють веретено поділу - динамічну структуру, за якою хромосоми, що спочатку знаходилися в одному ядрі, розповзаються в різні боки.

Щоб описати, як під час мітозу може змінюватися довжина мікротрубочок, біофізики з Німеччини та Нідерландів під керівництвом Ервіна Фрая (Erwin Frey) з Мюнхенського університету імені Людвіга і Максиміліана розробили теоретичну модель, що пов'язує цю довжину з концентрацією в навколишньому просторі тубуліну, кінезину і деполімерази мікрубочок - ферменту, який відповідає за ротулін. Запропонована модель пов'язує між собою два конкуруючих процеси: спонтанну полімерізацію в умовах обмеженої кількості в цитоплазмі тубуліну і деполімеразцію під дією ферменту і кінезину.

В одній з попередніх робіт вчені показали, що механізм деполімеризації мікротрубочки багато в чому визначається концентрацією кінезину в цитоплазмі. Після прикріплення до мікротрубочки кінезин рухається, перестрибуючи з однієї тубулінової одиниці на іншу, а коли доходить до кінця мікротрубочки - відривається, забираючи останню молекулу тубуліну з собою в цитоплазму. Таким чином, чим більше кінезину в даний момент знаходиться на одній мікротрубочці, тим швидше вона буде розбиратися. Саме тому, якщо концентрації всіх трьох вільних білків: тубуліна, кінезина і деполімерази - в клітці обмежена (як це в клітці буває практично завжди, в тому числі і при утворенні веретена ділення), то саме вони і будуть визначати довжину мікротрубочки.

Пов'язавши між собою швидкості реакцій усіх процесів, що проходять між трьома цими білками при полімерізації мікротрубочки з одного кінця і її деполімеризації - з іншого, вчені побачили вплив концентрації білків на довжину мікротрубочки. За результатами, отриманими чисельно за допомогою запропонованої моделі, виявилося, що при характерних для цитоплазми концентраціях білків, можливі ситуації, при яких для такої системи існують два положення рівноваги - мікротрубочка може мати одну з двох довжин, іноді перемикаючись між двома станами.

За допомогою експериментів вчені підтвердили, що бістабільна система дійсно спостерігається в широкому діапазоні концентрацій кінезину, характерних для життєдіяльності клітини. Тому експериментально вченим вдалося виміряти бімодальний розподіл за довжиною: наприклад, якщо при концентраціях 0 або 400 наномоль на літр кінезину в розподілі спостерігається тільки один пік, то для проміжних концентрацій присутні два яскраво виражених максимуми, які зберігаються протягом тривалого часу. Всі ці дані добре узгоджуються з теоретичними оцінками.

У найближчому майбутньому автори планують використовувати отримані ними результати і для теоретичного опису і моделювання процесів, що відбуваються безпосередньо в живій клітині, при яких обмежені концентрації білків повинні призвести до бімодального розподілу мікротрубочок по довжині, в тому числі і при поділі клітини.

Нещодавно вчені змогли зняти деякі динамічні процеси, що відбуваються з кліткою, в тому числі і її поділ з утворенням мітотичного веретена, на відео надвисокої роздільної здатності з частотою до 200 кадрів в секунду. А більш детально про цитоскелет і процеси ділення клітини ви можете прочитати (а також подивитися на фотографії цього процесу) в нашому ілюстрованому матеріалі «Ділимо на два».