Биофизики разработали теоретическую модель, которая описывает изменение длины микротрубочек, в частности, при формировании веретена деления во время митоза. Оказалось, что если количество свободных белков, влияющих на процессы полимеризации и деполимеризации микротрубочек, ограничено, то для них характерно сразу две равновесных длины, между которыми может происходить фазовый переход, пишут ученые в Physical Review Letters.
Один из основных компонентов цитоскелета — микротрубочки. Это цилиндрические образования диаметром около 25 нанометров и длиной от единиц до сотен микрометров, состоящие из молекул тубулина. За счет движения по тубулину моторных белков — кинезина или динеина — микротрубочки обеспечивают протекание многих динамических процессов в клетке, связанных с изменением ее формы, транспортом веществ и движением клеточных органоидов. В частности, микротрубочки принимают активное участие в делении клетки: они образуют веретено деления — динамическую структуру, по которой хромосомы, изначально находившиеся в одном ядре, расползаются в разные стороны.
Чтобы описать, как при митозе может меняться длина микротрубочек, биофизики из Германии и Нидерландов под руководством Эрвина Фрая (Erwin Frey) из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана разработали теоретическую модель, связывающую эту длину с концентрацией в окружающем пространстве тубулина, кинезина и деполимеразы микротрубочек — фермента, который отвечает за разборку микротрубочки. Предложенная модель связывает между собой два конкурирующих процесса: спонтанную полимеризацию в условиях ограниченного количества в цитоплазме тубулина и деполимеразцию под действием фермента и кинезина.
В одной из предыдущих работ ученые показали, что механизм деполимеризации микротрубочки во многом определяется концентрацией кинезина в цитоплазме. После прикрепления к микротрубочке кинезин двигается, перепрыгивая с одной тубулиновой единицы на другую, а когда доходит до конца микротрубочки — отрывается, забирая последнюю молекулу тубулина с собой в цитоплазму. Таким образом, чем больше кинезина в данный момент находится на одной микротрубочке, тем быстрее она будет разбираться. Именно поэтому, если концентрации всех трех свободных белков: тубулина, кинезина и деполимеразы — в клетке ограничена (как это в клетке бывает практически всегда, в том числе и при образовании веретена деления), то именно они и будут определять длину микротрубочки.
Связав между собой скорости реакций всех процессов, проходящих между тремя этими белками при полимеризации микротрубочки с одного конца и ее деполимеризации — с другого, ученые увидели влияние концентрации белков на длину микротрубочки. По результатам, полученным численно с помощью предложенной модели, оказалось, что при характерных для цитоплазмы концентрациях белков, возможны ситуации, при которых для такой системы существуют два положения равновесия — микротрубочка может иметь одну из двух длин, иногда переключаясь между двумя состояниями.
С помощью экспериментов in vitro ученые подтвердили, что бистабильная система действительно наблюдается в широком диапазоне концентраций кинезина, характерных для жизнедеятельности клетки. Поэтому экспериментально ученым удалось измерить бимодальное распределение по длине: например, если при концентрациях 0 или 400 наномоль на литр кинезина в распределении наблюдается только один пик, то для промежуточных концентраций присутствуют два ярко выраженных максимума, которые сохраняются в течение длительного времени. Все эти данные хорошо согласуются с теоретическими оценками.
В ближайшем будущем авторы планируют использовать полученные ими результаты и для теоретического описания и моделирования процессов, происходящих непосредственно в живой клетке, при которых ограниченные концентрации белков должны привести к бимодальному распределению микротрубочек по длине, в том числе и при делении клетки.
Недавно ученые смогли снять некоторые динамические процессы, происходящие с клеткой, в том числе и ее деление с образованием митотического веретена, на видео сверхвысокого разрешения с частотой до 200 кадров в секунду. А более подробно о цитоскелете и процессах деления клетки вы можете прочитать (а также посмотреть на фотографии этого процесса) в нашем иллюстрированном материале «Делим на два».
Александр Дубов