Морфологические изменения клетки в митозе
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 21.12.2024
• При вступлении клетки в митоз сильно меняется структура ядра и цитоскелета
• В прохождении таких событий митоза, как разрыв ядерной оболочки, конденсация и сегрегация хромосом, сборка веретена и цитокинез, необходимо участие митотических киназ
Мы рассмотрели свойства представителей четырех семейств протеинкиназ, которые необходимы для инициации митоза и прохождения клетки через эту стадию цикла. Какие функции выполняют эти киназы в митозе?
Пока современные исследования только пытаются дать ответ на этот вопрос. Вхождение клетки в митоз сопровождается множеством морфологических и биохимических изменений, и все они происходят с участием киназ. В данной статье мы рассмотрим основные события митоза, которые находятся под контролем этих киназ. Приведем известные примеры роли киназ в конкретных процессах и обсудим общие свойства этих ферментов.
Одним из наиболее существенных изменений, наступающих в клетках эукариот при митозе, является разрушение барьера между ядром и цитоплазмой. При этом происходит разрушение ядерной оболочки и диссоциация ядерной ламины, структуры, придающей жесткость клеточному ядру.
Основные изменения происходят в структуре цитоскелета при вступлении клетки в митоз. К числу их относится образование митотического веретена. В течение всего клеточного цикла в клетке присутствуют микротрубочки, которые представляют собой полимеры, состоящие из димеров а- и b-тубулина. В интерфазе, центросома (аналог полярного тельца веретена у дрожжей) организует микротрубочки в длинные цитоплазматические филаменты.
Эти филаменты в митозе разбираются, центросомы расходятся (они дуплицировались в клеточном цикле раньше), и между ними образуется биполярное веретено, состоящее из микротрубочек.
Хромосомы присоединяются к концам микротрубочек веретена и затем связываются с центросомами. Место прикрепления микротрубочек к хромосоме называется кинетохором. Поскольку каждая сестринская хроматида имеет свой кинетохор, который связывается с микротрубочками, исходящими из противоположно расположенных центросом, в митозе происходит равномерная сегрегация сестринских хроматид.
Звездообразные (астральные) структуры микротрубочек вокруг каждой центросомы также образуются в митозе и взаимодействуют с клеточным кортексом. Эти структуры помогают позиционированию центросом, которые, в свою очередь, определяют ориентацию митотического веретена в клетке. В большинстве клеток плоскость деления задается положением веретена, и ее можно изменить, сдвинув его от центра.
Это происходит в определенные моменты развития многоклеточных организмов. При этом образуются дочерние клетки с неодинаковым составом и с разной дальнейшей судьбой.
К двум другим важным структурам, образующимся в митозе, относятся центральное веретено и остаточное тельце. Центральное веретено представляет собой просто середину веретена. В анафазе оно состоит из чередующихся концов микротрубочек, прикрепленных к противоположным центросомам. Эти микротрубочки не контактируют с кинетохорами, а связываются вместе антипараллельно. Остаточное тельце образуется из остатков центрального веретена в цитокинезе. Так же как и центросома, остаточное тельце содержит множество сигнальных молекул.
ДНК хромосом находится в деконденсированном состоянии; ЭПР тубулярного характера и связан с ядерной оболочкой.
При наступлении митоза, ламин фосфорилируется киназой Cdk, что приводит к деградации ядерной ламины и оболочки ядра.
ЭПР также изменяет свое состояние, распадаясь на везикулы.
Происходит конденсация хромосом, и область их кинетохоров прикрепляется к микротрубочкам веретена, выходящим из центросом.
Происходит ошаривание самой клетки.
Во время митоза происходят также сильные изменения актинового цитоскелета. Актин представляет собой важнейший компонент цитоскелета, который в интерфазной клетке организован в цитоплазматические волокна. После вхождения клетки в митоз актин концентрируется в медиальной области клетки для подготовки к цитокинезу и образует борозду деления или кольцо цитокинеза.
Борозда деления состоит не только из актина, но содержит более 50 разных белков, которые регулируют образование актиновых нитей, их сборку, подвижность и оборот и активность которых определяет инвагинацию борозды деления.
Как можно ожидать, четыре основных киназы митоза участвуют во многих аспектах морфологических изменений клетки и реорганизации цитоскелета. Классическим примером является CDK, участвующая в разрушении ядерной оболочки. Ядерная ламина состоит из двух белков, ламина А и ламина В. Ламин А содержит сайты фосфорилирования, которое происходит с участием Cdk1 киназы.
Как показано экспериментально, мутации по этим сайтам, приводящие к образованию нефосфорилируемых остатков Ала, препятствуют диссоциации ламины. Таким образом, в результате этих исследований была установлена роль Cdk1 в одном из ранних событий митоза. На рисунке ниже представлена схема регуляции состояния ядерной ламины с участием Cdk1.
Протеинкиназы в митозе выполняют несколько функций, и они обнаружены во многих частях клетки. Одним из важных мест их локализации служат центросомы. Наряду с выполняемой ими ролью центров организации микротрубочек, центросомы являются сигнальными центрами, в которых накапливаются регуляторы клеточного цикла и их субстраты. Таким образом, сигналы клеточного цикла могут быстро интегрироваться, генерируя соответствующий морфологический ответ.
На центросомах локализованы все представители семейства Cdk1-циклина, Plk, Aurora и NIMA Исследования на моделях с выключенными функциями киназ показали, что они регулируют дупликацию и расхождение центросом. Более того, на центросомах были идентифицированы субстраты каждой киназы.
Например, Aurora А участвует в функционировании центросом и в их изменениях, обеспечивающих нуклеацию микротрубочек (созревание центросом) и сборку веретена. Также Aurora А направляет в центросому факторы, которые играют критическую роль в нуклеации микротрубочек.
Aurora А служит примером динамической локализации ферментов, которая свойственна большинству протеинкиназ митоза. Вместе, по меньшей мере, с тремя другими белками, а именно INCENP, Survivin и Borealin, Aurora В в анафазе мигрирует с кинетохора в центр веретена и затем в область расположения остаточного тельца в делящихся клетках. Из-за своей характерной миграции с хромосом в середину веретена эти белки получили название белки-пассажиры хромосом.
В отсутствие любого компонента комплекса, хромосомы надлежащим образом не конденсируются, не выравниваются в метафазной пластинке и не связываются с обеими центросомами.
Ключевой функцией Aurora В и других белков-пас-сажиров, расположенных на кинетохорах, является удаление связей между кинетохором и микротрубочками веретена, которые не приводят к развитию напряжений на обоих кинетохорах, т. е. удаление прикреплений, не являющихся биполярным. Вместе с тем, клетки с отсутствующими функциями какого-либо из белков пассажиров не вступают в цитокинез, поскольку киназа Aurora В необходима для организации центрального веретена и борозды деления.
Хотя расположение Plks и Cdk1 отличается от такового для Aurora В, локализация этих белков в митозе также носит динамический характер, обеспечивающий их взаимодействие с соответствующими мишенями.
Поскольку протеинкиназы играют критическую роль в митозе и цитокинезе, для идентификации их субстратов были использованы различные методы. Таким образом, удается понять молекулярные механизмы митоза. Особенно много внимания уделяется поиску субстратов комплекса Cdk1-циклин. Одним из специфических свойств микротрубочек, которое особенно проявляется в митозе, является быстрая скорость их роста и диссоциации. Это свойство обозначается термином динамическая нестабильность.
Динамическая нестабильность микротрубочек и свойства их моторных белков играют важную роль в процессе сегрегации хромосом. Cdk1 регулирует свойства митотического веретена, фосфорилируя молекулярные моторы, связанные с микротрубочками. К числу субстратов этой киназы также относятся белки, управляющие процессом конденсации хромосом, а также фрагментацией и компартментализацией аппарата Гольджи.
Суммируя изложенные сведения о вхождении клетки в митоз, и о самом процессе митоза, отметим, что в ядре и цитоплазме клеток эукариот при этом происходят различные морфологические изменения. Большинство этих изменений вызваны фосфорилированием соответствующих белков киназами митоза. Примерами являются разборка ядерной ламины, конденсация хромосом, реорганизация актинового цитоскелета, сборка и разборка митотического веретена и компартментализация аппарата Гольджи.
Видео процесс и фазы митоза
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
-