• Динамичные микротрубочки выполняют функцию внутриклеточного поиска и способны быстро обнаруживать необходимые мишени, независимо от их расположения
• Динамичные микротрубочки обладают адаптационными возможностями и способностью к быстрой реорганизации
• Рост и укорочение микротрубочек генерируют силу и могут использоваться для перемещения везикул и других внутриклеточных структур
• Способность микротрубочек генерировать усилия позволяет им самоорганизовываться в звездообразные структуры
Такое свойство микротрубочек цитоскелета, как их нестабильность выработалось в ходе эволюции, поскольку динамичные микротрубочки обнаружены в клетках всех известных эукариотических организмов. Это позволяет предполагать, что на протяжении уже по крайней мере 700 млн лет наличие динамичных микротрубочек является характерной особенностью клеток эукариот. Почему отбор благоприятствовал закреплению в составе клеточных компонентов динамичных полимеров, потребляющих энергию (при гидролизе ГТФ), а не статичных структур, которые необходимо создать лишь один раз? Очевидно, что динамичные микротрубочки легче адаптируются к изменению клеточной активности.
Они выполняют функции поиска, способны к реорганизациии, и даже могут генерировать механические усилия. Все эти свойства делают цитоскелет, компонентом которого являются динамичные микротрубочки, хорошо приспособленным к разнообразным изменениям клеточных функций. Рисунок ниже иллюстрирует динамическую перестройку цитоскелетных микротрубочек при вступлении клетки в митоз; это лишь один пример адаптационных возможностей микротрубочек. (Все это было бы невозможно, если бы микротрубочки не обладали способностью к гидролизу ГТФ. Важность гидролиза ГТФ для обеспечения адаптационных возможностей микротрубочек подчеркивается анализом ситуации, которая могла бы сложиться, если бы микротрубочки не обладали способностью к гидролизу ГТФ. Способность динамичных микротрубочек осуществлять функцию внутриклеточного поиска иллюстрируется образованием митотического веретена.
Для образования этой структуры необходимо, чтобы микротрубочки, образующиеся на центросомах, нашли кинетохоры и связались с ними своими плюс-концами. Кинетохор представляет собой область на каждой хромосоме, к которой присоединяются микротрубочки митотического веретена. В клеточном масштабе кинетохоры чрезвычайно малы, и центросомы отстоят от них на значительном расстоянии.
На фотографии слева представлены микротрубочки и конденсированные хромосомы при вступлении клетки в митоз.
На снимке справа, сделанном с помощью электронного микроскопа, виден небольшой участок конденсированной хромосомы и два кинетохора.
Видны несколько микротрубочек, идущих к каждому кинетохору.
Представленные фотографии иллюстрируют случайное расположение хромосом в начале митоза и крайне небольшие размеры кинетохора по сравнению с целой хромосомой.
Фотография слева показывает плотность динамичных микротрубочек, образованных на каждой центросоме.
Плотность микротрубочек и их динамический характер дают им возможность надежно обнаружить каждый кинетохор, несмотря на его незначительные размеры и нефиксированное положение внутри клетки.
При масштабировании клетки таким образом, чтобы каждый кинетохор по размеру соответствовал бы дюймовому буллю в центре доски для игры в дартс, центросома отстояла бы от него на расстоянии броска дротика. Если бы ориентация микротрубочек осуществлялась посредством центросом, это потребовало бы невероятных усилий и «знания» деталей расположения кинетохора. Вместо этого, за счет динамической нестабильности, центросомы надежно соединяются с кинетохорами, что не требует каких-либо дополнительных усилий.
Центросомы нуклеируют организацию микротрубочки во всех направлениях, тщательно зондируя всю цитоплазму с помощью массы окончаний этих растущих микроструктур. Микротрубочки, которые не обнаруживают кинетохор, быстро диссоциируют, высвобождая тубулиновые субъединицы для построения новых. Те немногие, которые его находят, стабилизируются, устанавливая связь между полюсами и хромосомами. Хотя лишь небольшая часть микротрубочек находит кинетохор, быстрый постоянный процесс их сборки и разборки за счет динамической нестабильности позволяет всего за несколько минут найти все кинетохоры и связать их с центросомами. За столь короткий отрезок времени каждый кинетохор связывает до 40 микротрубочек. Этот механизм образования веретена носит название поиска и захвата и обладает тем преимуществом, что для него не требуется предварительно устанавливать расстояние между центросомами и кинетохорами. Такая гибкость системы используется при каждом делении, поскольку положение хромосом оказывается различным для каждой клетки в начале митоза и для каждого деления.
На рисунке ниже представлены процессы роста, разборки и избирательной стабилизации микротрубочек, которые обеспечивают образование митотического веретена, а также необходимы для осуществления других функций, особенно связанных с реакцией клеток на изменения окружения. Клеткам часто необходимо осуществлять процессы поляризации по отношению к сигналам, которые возникают на плазматической мембране, например при контакте с другими клетками. Место получения клеткой сигнала предсказать заранее невозможно, и оно может занимать лишь небольшую часть клеточной поверхности. Однако постоянно протекающие процессы сборки и разборки динамических микротрубочек в цитоплазме обеспечивают возможность обнаружения сигнала. Если в результате приема клеткой сигнала происходит стабилизация микротрубочек, они начинают функционировать как транспортные пути для везикул, обеспечивая их поступление в определенную клеточную область. За счет образования новой мембраны в определенной области, клетка поляризуется и приобретает более удлиненную форму.
Одним из примеров локальной стабилизации микротрубочек и поляризации клеток является зарастание клетками участка, образующегося при удалении части монослоя культуры, растущей в чашке Петри (искусственная рана). Для зарастания необходимо, чтобы клетки, расположенные с краю, переместились на пустой участок и начали делиться. До начала движения клетки должны поляризоваться в нужном направлении. При поляризации происходит реориентация микротрубочек, за счет локальной стабилизации тех из них, которые обращены в сторону раны.
В ходе эволюции закрепление динамических микротрубочек в качестве элементов внутриклеточных структур произошло также потому, что они оказались способными генерировать механические усилия и обеспечивать подвижность различных объектов. Подвижность объекта зависит от его способности фиксироваться на конце растущей или укорачивающейся микротрубочки, что позволяет ему передвигаться при изменении ее длины. Этой способностью обладают некоторые белки и органеллы, включая хромосомы и некоторые везикулы, которые могут транспортироваться на концах микротрубочек. На рисунке ниже показано перемещение везикулы, расположенной на кончике укорачивающейся микротрубочки. Для движения, связанного с укорачиванием микротрубочек, используется энергия ГТФ, запасаемая в микротрубочке при ее полимеризации. Большинство актов перемещения, происходящих в клетках, осуществляются с помощью молекулярных моторов, а не за счет роста и укорачивания микротрубочек.
Заманчиво предположить, однако, что динамические микротрубочки развились потому, что давали возможность быстрой реорганизации цитоскелета в ответ на внешний сигнал, обладали способностью к поиску мишеней в цитоплазме, а также могли генерировать механические усилия.
Способность динамических микротрубочек генерировать усилия также может использоваться для позиционирования цитоскелета. Это проявляется даже при отсутствии клеточной организации. На рисунке ниже представлены результаты эксперимента с чистыми центросомами и тубулином, иллюстрирующие это положение. Если поместить центросому в пределы очень малого ограниченного пространства (типа камеры, получаемой методом фотопечати на поверхности стекла, т. е. с применением технологии, которая используется для изготовления компьютерных чипов), а затем стимулировать процесс нуклеации микротрубочек, то центросома будут мигрировать в центру камеры, независимо от положения, которые она исходно занимала. Это происходит потому, что растущие микротрубочки отталкиваются от стенок камеры. Поскольку последние неподвижны, то центросома и микротрубочки смещаются.
Когда центросома занимает центральное положение, механические усилия во всех направлениях уравниваются. Процесс развивается аналогично тому, который происходит в клетке, когда в цитоплазме в направлении плазматической мембраны начинает расти много микротрубочек. Так же как и микротрубочки в искусственной камере, в клетке эти микроструктуры растут в направлении плазматической мембраны, позиционируя центросому в центре.
Локальные изменения стабильности микротрубочек обеспечивают поляризацию клеток и изменение ее формы.
Как представлено на рисунке, в клетке округлой формы вначале микротрубочки располагаются радиально.
Микротрубочки все время исследуют клетку, постоянно оборачиваясь за счет динамической нестабильности.
При поступлении локального сигнала происходит стабилизация части микротрубочек.
Затем стабильные микротрубочки создают полярность клетки и определяют специализацию региона,
например, за счет направленного транспорта везикул к определенному участку мембраны.
Этот механизм «селективной стабилизации» представляет собой один из путей,
посредством которого может меняться случайный характер сборки и разборки микротрубочек и образовываться поляризованная клетка.
Представлены два кадра видеозаписи.
В эксперименте in vitro к концу микротрубочки была присоединена везикула.
При укорачивании микротрубочки по направлению к сайту нуклеации везикула
остается связанной с концом микротрубочки и транспортируется в том же направлении.
В этом эксперименте для формирования радиального расположения динамичных микротрубочек в крошечной камере,
по размеру напоминающей клетку, использовали центросому.
В течение нескольких минут центросома самопроизвольно перемещалась в центр за счет возникновения сил отталкивания растущих микротрубочек от стенок камеры.
Относительная величина возникающих сил выражается стрелками различной толщины.
Способность центрирования или балансировки трехмерной конструкции, состоящей из микротрубочек, продемонстрированная в этом эксперименте,
иногда может использоваться для позиционирования внутриклеточных структур.
