Механизмы формирования митотического веретена деления
• Изменения в центросомах и в цитоплазме в начале митоза приводят к образованию вокруг каждой центросомы астральных структур, состоящих из коротких высокодинамичных микротрубочек
• Образование митотического веретена инициируется взаимодействием между астральными структурами, образованными двумя центросомами
• Разделение центросом зависит от белковых моторов микротрубочек
• Путь образования веретена зависит оттого, произошло расхождение центросом до или после разрыва оболочки ядра
По мере продвижения клетки из интерфазы в митоз, структура микротрубочек проходит через ряд быстрых и глубоких изменений. В цитоплазме происходит разборка длинных микротрубочек, типичных для интерфазной клетки, и каждая из двух центросом нуклеирует плотную радиальную структуру, состоящую из коротких микротрубочек (звезду, или звездчатую структуру).
Как показано на рисунке ниже, в конце концов две эти звездчатые структуры своими микротрубочками участвуют в образовании веретена. В начале митоза происходят изменения количества и распределения микротрубочек, которое определяется разными процессами, в том числе изменениями центросомы.
Незадолго до того как клетка коммитируется к митозу, меняются обе центросомы. Они становятся способны к нуклеации гораздо большего числа микротрубочек, чем в течение интерфазы. Как только это происходит, связанные с центросомой белки становятся более фосфорилированными, в центросомах возрастает содержание у-тубулина, и происходит расширение области перицентриолярного материала. Остается неясным, каким образом происходит процесс «созревания». Вероятно, в нем участвуют специфические киназы, которые активируются по мере перехода клетки из фазы G2 в митоз, включая главную регуляторную киназу митоза.
Для превращения одной структуры в другую требуется всего несколько минут.
Микротрубочки флуоресцируют зеленым цветом, хромосомы синим, а промежуточные филаменты — красным.
Примерно в то же время из-за изменения условий в цитоплазме происходит дестабилизация микротрубочек. Это приводит к замещению сети, состоящей из длинных интерфазных микротрубочек, двумя звездчатыми структурами, состоящими из коротких микротрубочек и образующимися на центросомах, как описано выше. В результате, к началу прометафазы общая длина микротрубочек в клетке уменьшается, и скорость, с которой образуются новые и разрушаются старые микротрубочки (т. е. оборот микротрубочек), увеличивается.
Это означает, что, как только начинается разрушение ядерной оболочки, область, окружающая ядро, постоянно зондируется большим количеством крайне динамичных микротрубочек, растущих от каждой звездчатой структуры. Как мы увидим далее, столь динамичный характер обеспечивает связывание звездчатых структур с хромосомами.
По мере расхождения центросом, в результате взаимодействия между окружающими их звездчатыми структурами начинается образование веретена. Это в высшей степени гибкий процесс, который осуществляется по одному из двух путей, в зависимости от того, разделились центросомы до или после разрушения ядерной оболочки. Оба пути включают взаимодействие микротрубочек с белковыми моторами. В случаях, когда ядерная оболочка разрушается до начала расхождения центросом, высвободившиеся хромосомы распределяются по цитоплазме, и возникает только одна большая звездообразная структура.
Как показано на рисунке ниже, образуется «однополюсное» полуверетено; оно сохраняется до тех пор, пока нс разойдутся две центросомы, после чего образуется двухполюсное веретено. Расхождение центросом после разрушения оболочки ядра включает эффект двух сил: одна их толкает за счет ки-незиноподобного белка Eg5, который взаимодействует с примыкающими микротрубочками противоположной полярности, расположенными между двумя центросомами. Вторая сила тянет центросомы за счет цитоплазматического динеина, закрепленного на периферии клетки (т. е. в ее кортексе).
В отсутствие препятствий эти две силы раздвигают центросомы до тех пор, пока не разойдутся две звездчатые структуры. Однако расхождение центросом ограничивается существованием других моторов, которые связаны со звездчатыми структурами, а также образованием нитей кинетохора на сестринских кинетохорах.
Веретено образуется другим способом, если две звездчатые структуры уже разошлись и произошло разрушение ядерной оболочки. При этом расхождение звездчатых структур происходит без участия Eg5, который оказывается недоступным, поскольку находится в ядре. Вместо него с микротрубочками, отходящими из каждой центросомы, взаимодействует цитоплазматический динеин, и когда укрепилась связь между двумя центросомами, он способен обеспечить их расхождение. В этом случае динеин локализован в клеточном кортексе и на поверхности ядерной оболочки. Актиновые филаменты определяют направление, по которому расходятся две центросомы, взаимодействуя с миозином, расположенным или в самих центросомах или вдоль микротрубочек
Когда расхождение двух звездчатых структур происходит до разрушения ядерной оболочки, то часто в области, где перекрываются микротрубочки, образуется первичное веретено. Однако до разрушения ядерной оболочки эта структура является неустойчивой, и микротрубочки центросом могут разойтись настолько далеко, что не будут перекрываться. Это объясняется тем, что для устойчивости веретена необходимы белки, которые находятся в интерфазном ядре, и выходят в цитоплазму только после разрушения оболочки ядра. В результате во многих клетках, находящихся в поздней профазе, две центросомы и звездчатые структуры расположены в противоположных участках ядра и не взаимодействуют между собой.
В таких клетках веретено образуется лишь после того, как кинетохоры станут доступными для микротрубочек и смогут связать две звездчатых структуры.
Кадр видеофильма, иллюстрирующий изменение организации микротрубочек в митотические структуры.
Два механизма образования веретена различаются на этапе расхождения центросом по отношению к процессу разрушения ядерной оболочки.
Способность клетки к образованию веретена, независимо от того, когда расходятся центросомы, подчеркивает необычайно гибкий характер процесса его формирования.
Слева представлено монополярное веретено, образующееся в клетке кенгуровой крысы,
при блокировании процесса расхождения центросом (вид сбоку).
Хромосомы (флуоресцируют оранжевым цветом) присоединены к одному из полюсов.
Видны толстые нити кинетохоров. Для сравнения на врезке показано обычное биполярное веретено.
Справа показано аналогичное монополярное веретено в клетке человека (вид спереди).
В центре находятся центросомы (флуоресцируют синим цветом).
Процесс образования веретена начинается, как только произошел разрыв оболочки ядра.
Вначале обе центросомы примыкают друг к другу. Белки Eg5 и HSET представляют собой моторы микротрубочек и входят в семейство кинезинов.
Однако Eg5 движется к плюс-концу микротрубочки, a HSET — к ее минус-концу.
Длина веретена определяется балансом усилий, развиваемых тремя моторами.
