Регуляция динамической нестабильности микротрубочек ГТФ-тубулина

Обновлено: 04.06.2024

Проект является продолжением проводившихся ранее исследований по динамике микротрубочек и организации цитоскелета клетки в целом. На моделях движущегося фибробласта и эндотелиального монослоя, сохраняющего в выделенном состоянии способность осуществлять барьерную функцию, присущую ему в живом организме, предполагается детально проанализировать взаимосвязь и кооперативное взаимодействии трех высокодинамичных компонентов цитоскелета клетки – цитоплазматических микротрубочек, микрофиламентов и адгезивных структур. Базовыми подходами для исследования поведения клеток и коррелятивного поведения цитоскелетных структур будут фазовоконтрастная и флуоресцентная микроскопия живых клеток, выполняемые с высокой скоростью и высоким пространственным разрешением. Контролировать процесс формирования клеточных контактов при формировании эндотелиального монослоя in vitro предполагается методом электронной микроскопии. Для анализа структуры формирующихся контактов будет использован метод высоковольтной электронной микроскопии стереопар серийных срезов с последующим анализом псевдотрехмерных изображений. Для количественного описания динамики микротрубочек будет использован метод микроинъекции флуоресцентномеченного тубулина в живую клетку с последующей записью цифровых изображений, полученных с помощью флуоресцентного микроскопа. Метод лазерного фотообесцвечивания, модифицированный для анализа направления роста индивидуальных микротрубочек в глубине цитоплазмы клетки, будет использован для исследования пространственной организации формирующейся системы микротрубочек в обеих моделях. Диффузионный подход и оригинальная методика количественной оценки микротрубочек и актиновых филаментов по занимаемой площади, разработанная в ходе выполнения работ в рамках предыдущего гранта РФФИ (№ 03-04-48035), будут использованы для описания пространственно-временной организации и поведения пучков микрофиламентов. В ходе проекта будет исследована коррелятивная изменчивость микрофиламентов и микротрубочек в ответ на искусственную активацию или инактивацию малых ГТФ-аз из семейства Rho- белков, а также будет произведен количественный анализ изменений динамических параметров при модуляции динамической нестабильности компонентов цитоскелета.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

В соответствии с задачей проекта и целями этапа 2006 года получены следующие методические и научные результаты: 1. Проведена цейтраферная запись поведения флуоресцентномеченных микротрубочек в разных участках (внутренняя цитоплазма, стабильный и активный край) живых поляризованных на подложке фибробластов 3Т3. 2. Исследованы сходство и различия в динамических характеристиках микротрубочек в следующих участках поляризованных фибробластов 3Т3: в области стабильного края; в области активного края; во внутренней цитоплазме клеток. Для анализа динамики микротрубочек в области стабильного и активного краев дополнительной обработки фильмов не проводили - выбранные для анализа участки цитоплазмы были достаточно тонкими, что позволяло легко идентифицировать значительные по протяженности индивидуальные микротрубочки. Для анализа поведения микротрубочек во внутренней цитоплазме использовали два метода, позволяющие снизить их высокую плотность в центральных участках клетки: а) метод FRAP, позволяющий выявлять вновь полимеризующиеся микротрубочки после фотообесцвечивания предсуществующих, а значит проанализировать жизненный цикл микротрубочки полностью – от момента рождения на центросоме (или на цитоплазматической затравке) до ее полной деполимеризации; б) метод, основанный на анализе специально обработанных (посредством вычитания фона в сочетании с пространственной фильтрацией) цифровых изображений. 3. Построены графики «жизнеописания» (life history plot) концов микротрубочек в следующих участках поляризованных на подложке фибробластов 3Т3: внутренняя цитоплазма, стабильный край и активный край. С целью получения объективной информации о поведении микротрубочек в перечисленных участках фибробластов были построены матрицы, описывающих поведение концов микротрубочек. Анализ поведения свободных и связанных с центросомой микротрубочек, концы которых не дорастают до края клетки, проводили отдельно. 4. Проанализирован характер роста микротрубочек во внутренней цитоплазме клетки и в различных участках ламеллы. Показано, что непосредственно в районе центросомы рост микротрубочек преимущественно радиальный, по мере удаления от центросомы, во внутренней цитоплазме клетки, рост становится хаотическим за счет преобладания не связанных с центросомой микротрубочек. В ламелле и хвосте фибробластов 3Т3 микротрубочки растут преимущественно параллельно длинной оси клетки. 5. Исследовано пространственное взаимораспределение микротрубочек и актиновых филаментов в ходе дисфункции эндотелиального пласта, вызванной воздействием тромбина, что позволило проанализировать последовательность перестройки системы микротрубочек, актиновых филаментов и клеточных контактов.

Регуляция формирования радиально-симметричной системы микротрубочек в интерфазной клетке


Ещ в ранних исследованиях было отмечено, что концы микротрубочки неравнозначны и конец с меньшей константой диссоциации тубулина был назван плюсконцом, а с большей минусконцом. С помощью антител к различным пептидам тубулина было установлено, что на минусконце находится атубулиновая субъединица, а на плюсконце тубулиновая , . Разница в константе ассоциации тубулина с минус и плюсконцами микротрубочки и участие ГТФазы тубулина во взаимодействии молекул тубулина создат своеобразие и сложность поведения микротрубочек i vi и i viv. Микротрубочки i viv находятся в динамическом равновесии со свободным тубулином клеток. I vi микротрубочки полимсризуются в растворах тубулина, и система также приходит к динамическому равновесию, характеризующемуся соотношением микротрубочки растворенный тубулин и средней длиной микротрубочек. Характер обмена тубулина в микротрубочках зависит от концентрации свободного тубулина. В больших концентрациях тубулина возможно нарастание микротрубочки с обоих концов, что реализуется, вероятно, при начале сборки микротрубочки i vi. Существует интервал концентраций тубулина, в котором на плюсконце микротрубочки идт в основном присоединение субъединиц, а на минусконце в основном отсоединение. При этом должно наблюдаться псевдопередвижение микротрубочек тредмиллинг, когда каждая точка микротрубочки неподвижна, но сама микротрубочка передвигается в направлении своего плюсконца. Английское слово ii в словарях переводится русским словом топчак и означает хождение лошади по кругу при производстве, например, молотьбы хлеба или при откачке воды из шахты. Реальное существование тредмиллинга микротрубочек было показано сначала i vi i i, , затем и i viv iv i, при прижизненных наблюдениях микротрубочек в клетках, инъецированных флуоресцентно меченым тубулином. Тредмиллинг оказывается, таким образом, естественным состоянием микротрубочки после достижения равновесия системы в концентрации тубулина, существующей i viv. При более низкой концентрации свободного тубулина наблюдается так называемая динамическая нестабильность микротрубочек периодическая сборка и разборка, происходящие на плюсконце. Нарастание плюсконцов микротрубочки, сменяющееся через секунд их укорочением, а затем вновь нарастанием, является основным способом обмена микротрубочек практически во всех исследованных клетках, имеющих центросому например, , . Минусконец большинства микротрубочек при этом закреплн на центросоме, что, вероятно, и снижает равновесную концентрацию тубулина в системе по сравнению с системой с двумя свободными концами микротрубочки поскольку константа связывания тубулина на плюсконце микротрубочки больше, чем минусконце. Минусконец свободных микротрубочек в клетках, имеющих центросому, почти постоянно находится в состоянии разборки. Часто в клетках можно наблюдать тредмиллинг отдельных свободных микротрубочек, сменяющийся через некоторое время их разборкой с обоих концов и исчезновением Vv , , . Это показывает, что тредмиллинг и динамическая нестабильность могут существовать в одной системе и вопрос состоит только в том, насколько плюсконец микротрубочки в тех или иных условиях оказывается способным к разборке. На конце растущих микротрубочек i viv и i vi образуется слой молекул тубулина, ещ не успевшего гидролизовать ГТФ, поскольку скорость гидролиза ГТФ тубулином меньше, чем скорость его встраивания в мнкротрубочку. Такой ГГФколпачок стабилизирует микротрубочку, причм для этого достаточно слоя ГТФтубулина толщиной в одну молекулу , . При динамической нестабильности разборка микротрубочки так называемая катастрофа начинается, если весь тубулин на плюсконце микротрубочки в силу случайного недостаточного поступления новых молекул ГТФтубулина оказывается в форме ГДФтубулина. При разборке микротрубочки ситуация обратная поскольку встраивание ГТФтубулина в микротрубочку не прекращено, может образоваться ГТФколпачок и микротрубочка перейдт к росту произойдт так называемое спасение. Между сборкой и разборкой микротрубочки существует также промежуточное состояние покоя .

Рекомендуемые диссертации данного раздела

Название работыАвтор Дата защиты
Цитологические особенности вторичных миелодисплазий при лимфомах Дьячкова, Наталья Юрьевна 2009
Закономерности морфо-функциональной организации большого сальника млекопитающих Макурина, Ольга Николаевна 2001
Клеточные механизмы репарации тканевых повреждений Васильев, Андрей Валентинович 2003

ИСТИНА

Физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем НИР

Physical

  • Руководитель НИР: Твердислов В.А.
  • Участники НИР: Адельянов А.М., Атауллаханов Ф.И., Белова Е.В., Беляев А.В., Гудимчук Н.Б., Лобышев В.И., Нечипуренко Д.Ю., Преображенская Т.А., Рууге Э.К., Свешникова А.Н., Сидорова А.Э., Симоненко Е.Ю., Тихонов А.Н., Хомутов Г.Б., Яковенко Л.В., Яковенко С.А.
  • Подразделение: Физический факультет
  • Срок исполнения: 1 января 2004 г. - 31 декабря 2025 г.
  • Номер договора (контракта, соглашения): 01200408535
  • Номер ЦИТИС: 01200408535
  • Тип: Фундаментальная
  • Приоритетное направление научных исследований: Живые системы
  • Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: возможность эффективного ответа российского общества на большие вызовы
  • ПН России: Науки о жизни
  • Рубрики ГРНТИ:
    • 34.03.25 Происхождение жизни
    • 34.17.03 Теоретическая и математическая биофизика
    • 34.17.09 Фотофизические и фотохимические процессы в биологии
    • 34.17.15 Молекулярная биофизика
    • 34.03.23 Математическая биология и теоретическое моделирование биологических процессов. Биоинформатика
    • 34.17.19 Свободнорадикальные состояния в биологии
    • 34.17.23 Биофизика клетки
    • 34.17.27 Искусственные и биологические мембраны
    • 34.17.39 Биореология и гемодинамика
    • 34.17.43 Биофизика тканей
    • 34.17.53 Прикладная биофизика
    • 34.35.25 Биоценозы. Экосистемы

    Цель работы состоит в выяснении физических основ строения и функционирования биологических систем и механизмов регуляции процессов в них на разных уровнях организации: от молекулярного, включая структурные исследования белков, нуклеиновых кислот и мембран, до биосферного, включая биофизику экологических систем.

    Будет выполнен анализ теоретических основ и перспектив практического использования концепции знакопеременных хиральных структур как фундаментального механизма иерархического структурообразования в молекулярных системах неживой и живой природы. Будет продолжен системный анализ симметрийных хиральных соответствий структур цитоскелета клеток эукариотов, а также систематизация и анализ знакового соответствия энантиомеров хиральных лекарств и макромолекул-мишеней. Будет построен критерий хиральности белковых структур. Будет построена трехмерная автоволновая модель формирования вторичных структур белков. Будет создана уникальная модель артериального тромбоза в крупном сосуде на основе гидрогеля, а также проанализированы механизмы остановки роста микрососудистого тромба при помощи разработанной компьютерной модели тромбоза. Будут установлены возможные корреляции между стохастическими процессами в модельных биологических и физических системах. Будут измерены характерные времена разворачивания домена А2 фактора фон Виллебранда в зависимости от внешней силы. Подбор концентраций флуоресцентных проб, условий загрузки проб в клетки, выделения клеток, условий наблюдения. Будет разработан алгоритм автоматического определения параметров модели на основе экспериментальных данных. Будут определены аминокислоты, определяющие взаимодействия С-конца альфа-тубулина с телом тубулина и оценена энергия данных взаимодействий. Будут определены аминокислоты, определяющие взаимодействия С-конца альфа-тубулина с глобулой белка Nuf2 и оценена энергия данных взаимодействий. Будут получены данные, позволяющие судить о состоятельности гипотезы об универсальном характере флуктуаций значений физических величин различной природы. Будут исследованы комплексные диэлектрические характеристики воды и разбавленных водных растворов при интенсивных механических воздействиях. Будут развиты теоретические основы и обоснованы перспективы практического применения разрабатываемых оригинальных подходов к созданию новых биомиметических биосовместимых коллоидных систем адресной доставки и управляемого высвобождения лекарственных препаратов на основе нанокомпозитных липидных везикул. Будут разработаны методы создания новых нанокомпозитных липосом, содержащих гидрофобизованные наночастицы золота. Полученные с использованием разработанных методов нанокомпозитные липосомы будут охарактеризованы с использованием комплекса взаимодополняющих физических методов структурно-функциональной диагностики. Будут рассчитаны энергетические профили реакций двухэлектронного окисления пластохинола в Qo-центре цитохромного комплекса b6f – перенос электрона на железо-серный кластер Риске и переноса электрона на низкопотенциальный гем цитохрома b6 – для различных сценариев работы комплекса b6f. Будут получены новые данные о роли антиоксидантов природного происхождения и комплексов оксидов азота в защите сердечной мышцы от повреждений.

    Развита и обоснована выдвинутая ранее синергетическая концепция относительно структурообразования в природных, в том числе, молекулярно-биологических хиральных системах, основанная на спонтанном формировании структурных иерархий с чередующимся знаком хиральности и увеличивающимся масштабом. Построена уникальная компьютерная модель роста тромба в потоке крови, учитывающая появление и перемещение прокоагулянтных тромбоцитов, а также процесс ретракции тромбоцитарного агрегата. Показано, что антиоксидантный препарат «Оксаком» эффективно взаимодействует с образуемыми в комплексе III митохондрий сердца супероксидными радикалами при разных парциальных давлениях кислорода, включая условия глубокой гипоксии. Впервые обнаружена структура стебель-петля в 3’UTR области ретротранспозонов L1 и Alu человека. Разработан алгоритм кластеризации белков по семействам на основе доменной архитектуры. Построены стохастические компьютерные модели внутриклеточной сигнализации в тромбоците при активации через рецепторы PAR1, PAR4 и P2Y12. Методами математического моделирования установлено различие распределения внутренних параметров сеток водородных связей в объемной воде и гидратных оболочках белков и установлена периодичность в распределении плотности молекул воды в гидратной оболочке белка. Созданы новые гибридные и нанокомпозитные биомиметические мембранные везикулы, содержащие биогенные липиды, рН-чувствительные амфифильные молекулы. Построена модель связывания микротрубочек с концевым белком EB1, модулирующим динамику микротрубочек и чувствительность динамики микротрубочек к ингибиторам тубулина. Разработана уникальная экспериментальная модель гемостаза, в которой в качестве активатора тромбообразования выступает гидрогель, содержащий необходимые молекулы. Построена модель комплекса NDC80 и фрагмента из тубулиновой решетки микротрубочки размером 3х3 мономера.

    Источник финансирования НИР

    Этапы НИР

    Прикрепленные к НИР результаты

    Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, . ). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

    Микротрубочки


    Микротрубочки — белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав цитоскелета.

    Микротрубочки представляют собой полые внутри цилиндры диаметром 25 нм. Длина их может быть от нескольких микрометров до, вероятно, нескольких миллиметров в аксонах нервных клеток. Их стенка образована димерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам, полярны: на одном конце происходит самосборка микротрубочки, на другом — разборка. В клетках микротрубочки играют роль структурных во многих клеточных процессах.

    Содержание

    Микротрубочки — это структуры, в которых 13 протофиламентов, состоящих из гетеродимеров α- и β-тубулина, уложены по окружности полого цилиндра. Внешний диаметр цилиндра около 25 нм, внутренний — около 15.

    Один из концов микротрубочки, называемый плюс-концом, постоянно присоединяет к себе свободный тубулин. От противоположного конца — минус-конца — тубулиновые единицы отщепляются.

    В образовании микротрубочки выделяют три фазы:

    • замедленная фаза, или нуклеация. Это этап зарождения микротрубочки, когда молекулы тубулина начинают соединяться в более крупные образования. Такое соединение происходит медленнее, чем присоединение тубулина к уже собранной микротрубочке, поэтому фаза и называется замедленной;
    • фаза полимеризации, или элонгация. Если концентрация свободного тубулина высока, его полимеризация происходит быстрее, чем деполимеризация на минус-конце, за счет чего микротрубочка удлиняется. По мере её роста концентрация тубулина падает до критической и скорость роста замедляется вплоть до вступления в следующую фазу;
    • фаза стабильного состояния. Деполимеризация уравновешивает полимеризацию, и рост микротрубочки останавливается.

    Лабораторные исследования показывают, что сборка микротрубочек из тубулинов происходит только в присутствии гуанозинтрифосфата и ионов магния.

    Микротрубочки являются динамическими структурами и в клетке постоянно полимеризуются и деполимеризуются. Центросома, локализованная вблизи ядра, выступает в клетках животных и многих протистов как центр организации микротрубочек (ЦОМТ): они растут от неё к периферии клетки. В то же время микротрубочки могут внезапно прекратить свой рост и укоротиться обратно по направлению к центросоме вплоть до полного разрушения, а затем вырасти снова. При присоединении к микротрубочке молекулы тубулина, несущие ГТФ, образуют «шапочку», которая обеспечивает рост микротрубочки. Если локальная концентрация тубулина падает, связанная с бета-тубулином ГТФ постепенно гидролизуется. Если полностью гидролизуется ГТФ «шапочки» на ±конце, это приводит к быстрому распаду микротрубочки. Таким образом, сборка и разборка микротрубочек связана с затратами энергии ГТФ.

    Динамическая нестабильность микротрубочек играет важную физиологическую роль. Например, при делении клетки микротрубочки растут очень быстро и способствуют правильной ориентации хромосом и образованию митотического веретена.

    Микротрубочки в клетке используются в качестве «рельсов» для транспортировки частиц. По их поверхности могут перемещаться мембранные пузырьки и митохондрии. Транспортировку по микротрубочкам осуществляют белки, называемые моторными. Это высокомолекулярные соединения, состоящие из двух тяжёлых (массой около 300 кДа) и нескольких лёгких цепей. В тяжёлых цепях выделяют головной и хвостовой домены. Два головных домена связываются с микротрубочками и являются собственно двигателями, а хвостовые — связываются с органеллами и другими внутриклеточными образованиями, подлежащими транспортировке.

    Выделяют два вида моторных белков:

    Динеины перемещают груз только от плюс-конца к минус-концу микротрубочки, то есть из периферийных областей клетки к центросоме. Кинезины, напротив, перемещаются к плюс-концу, то есть к клеточной периферии.

    Перемещение осуществляется за счёт энергии АТФ. Головные домены моторных белков для этого содержат АТФ-связывающие участки.

    Помимо транспортной функции, микротрубочки формируют центральную структуру ресничек и жгутиков — аксонему. Типичная аксонема содержит 9 пар объединённых микротрубочек по периферии и две полных микротрубочки в центре. Из микротрубочек состоят также центриоли и веретено деления, обеспечивающее расхождение хромосом к полюсам клетки при митозе и мейозе. Микротрубочки участвуют в поддержании формы клетки и расположения органоидов (в частности, аппарата Гольджи) в цитоплазме клеток.

    Микротрубочки растений являются высокодинамическими составляющими цитоскелета, которые вовлечены в важные клеточные процессы, в частности, сегрегацию хромосом, формирование фрагмопласта , микрокомпартментализацию, внутриклеточный транспорт, а также в поддержание постоянной формы и полярности клетки. Мобильность микротрубочек обеспечивается динамической нестабильностью, передвижением полимеров моторными белками, тредмилингом (en:Treadmilling) и гибридным механизмом тредмилинга с динамической нестабильностью плюс-конца и медленной деполимеризацией минус-конца [1] .

    Микротрубочки чрезмерно чувствительны к биотическим и абиотическим факторам окружающей среды (холоду, освещению, засухе, засолению, влиянию гербицидов и пестицидов, затоплению, сжатию, воздействию электрического поля, давлению и силе тяжести), а также к фитогормонам, антимитотическим препаратам и ряду других биологически активных соединений [2] . Микротрубочки являются полыми полярными цилиндрическими филаментами диаметром свыше 24 нм, которые собираются из гетеродимеров α-и β-тубулина, которые в положении «голова-к-хвосту» формируют 13 протофиламентов.

    Существенное ограничение иммуногистохимических исследований состоит в невозможности прижизненной визуализации динамики микротрубочек эукариотических и прокариотических клеток в режиме реального времени. Это ограничение было преодолено благодаря применению конфокальной микроскопии с зеленым флуоресцентным белком, изолированным из медузы Aequorea victoria L. [3] . Репортёрная конструкция GFP-MBD для гетерологической трансформации даже при низком уровне транзиентной экспрессии in vivo и in vitro позволяет визуализировать динамическую нестабильнось микротрубочек в разных типах клеток корня [4] [5] .

    В клетках высших растений присутствуют четыре типа построений микротрубочек:

    • сетка кортикальных и эндоплазматических микротрубочек,
    • препрофазная лента,
    • митотическое веретено,
    • фрагмопласт [6] .

    Все компоненты цитоскелета и другие органеллы связаны между собой рядом специфических белков, ассоциированных с микротрубочками (БАМ). В животных клетках наиболее исследованными БАМ является tau и БАМ2, которые стабилизируют микротрубочки и присоединяют их к другим клеточным структурам, а также транспортные белки динеин и кинезин [7] . Функционирование различных групп растительных микротрубочек зависит от наличия изоформ БАМ из семьи БАМ65 и регуляторных киназ и фосфатаз. В частности, высококонсервативный животный гомолог семьи БАМ65 важен для получения микротрубочками определенных конфигураций на протяжении развития растения [5] . Ориентация и организация различных популяций и типов построений микротрубочек является ткане- и органоспецифической [8] .

    Построение корня Резуховидки Таля Arabidopsis thaliana L. типично для двудольных растений. Ближайшим к поверхности корня является эпидермальный слой, клетки которого в зрелой зоне в зависимости от способности инициировать развитие корневых волосков являются трихобластами или атрихобластами [9] . Глубже расположены накопительный безхлоропластный кортикальный слой с многочисленными межклетниками и плазмодесмами и слой эндодермальных клеток с поясками Каспари на антиклинальных поверхностях [10] . Центральный цилиндр корня формируют паренхимные клетки перицикла [10] , которые способны к быстрому делению, и элементы ксилемы и флоэмы. Присутствует и функциональное разграничение корневых зон: зоны деления, элонгации, созревания, а также переходная зона на границе зон инициации и элонгации. С перициклом формируются боковые корни, а с трихобластами эпидермального слоя — корневые волоски [10] [11] . Кончик корня покрыт корневым чехликом со специфической морфологией клеток колумеллы.

    Ацентросомальные кортикальные микротрубочки (КМТ) важны для морфогенеза растений, регуляции клеточного деления и элонгации [12] . Высокодинамическая популяция мембраносвязанных коротких КМТ быстро реориентуется из интерфазного поперечного положения в продольное при элонгации клетки [13] . Ацентросомальные кортикальные микротрубочки имеют неупорядоченное размещение плюс-концов и обнаруживают динамическую нестабильность, а свободные минус-концы КМТ медленно деполимеризируются, то есть КМТ самоорганизуются гибридным механизмом динамической нестабильности и тредмилинга [1] . Энуклеация происходит по всей поверхности плазматической мембраны [1] [13] . Белок SPR1 регулирует динамику и организацию плюс-конца КМТ растений, что сказывается на анизотропном росте клетки [14] [15] . Ацентросомальные кортикальные микротрубочки располагаются параллельно целлюлозным микрофибриллам [16] , правильная организация КМТ является существенной для нормального синтеза клеточной стенки [17] . Установлено, что КМТ объединяются в узлы, которые часто пересекаются для стабилизации микротрубочек и удержания белков на их поверхности [15] .

    Латеральные цилиндрические выросты трихобластов, корневые волоски, достигают значительной длины относительно собственной толщины с достаточно постоянным диаметром у Arabidopsis thaliana L. (незрелые ~ 6-10 нм; зрелые — более 1 мм) и характеризуются высокополярной цитоархитектурой [18] . Удлинение их происходит посредством верхушечного роста (англ. tip growth ) путем поляризованного экзоцитоза, который отмечается возвратно-фонтанным током цитоплазмы, градиентом цитоплазматического Ca 2+ , активностью F-актина и смещением клеточного содержимого к верхушке волоска. На ранних стадиях развития корневые волоски 3-дневных проростков Arabidopsis thaliana L. растут со скоростью 0,4 мкм / мин, ускоряясь позже до 1-2,5 мкм / мин [18] .

    Растительным клеткам присуща организованная популяция кортикальных микротрубочек [7] , которая в корневых волосках присутствует на всех уровнях развития [19] [20] . При переходе из зачаточного состояния в состояние удлинения, кортикальные микротрубочки верхушки волосков не визуализируются, поскольку появляются эндоплазматические микротрубочки. Кортикальные микротрубочки ориентированы продольно или спирально [20] [21] . У кукурузы Zea mays L. и салата Lactuca sativa L. инициация роста корневых волосков связана с реорганизацией популяции КМТ в трихобластах [20] [22] [23] . Эта популяция контролирует стабильность и направление апикального роста корневых волосков [24] [25] . Сравнение четырех стандартных параметров динамической нестабильности КМТ in vivo — уровня ростовой активности, скорости разборки, частоты переходов от разборки к росту («спасение») и наоборот («катастрофа») выявило, что кортикальные микротрубочки (КМТ) молодых корневых волосков являются динамичными, потому что зрелые. Сетка микротрубочек реорганизуется в ответ на меняющиеся параметры окружающей среды и стимулы дифференциации путем варьирования показателей динамической нестабильности [25] .

    Биофизики приблизились к разгадке тубулинового кода

    Международная команда учёных, куда вошли сотрудники биологического и физического факультетов МГУ, выяснила аспекты регуляции сборки и разборки белкового скелета клеток. Молекулярно-динамические расчеты производились на суперкомпьютере МГУ "Ломоносов-2". Исследование может пролить свет на патофизиологию нейродегенеративных заболеваний, его результаты опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Developmental Cell. Работа выполнена в рамках научной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина».

    Cлева направо: к.ф.-м.н., н.с. В.А. Федоров, м.н.с. Е.Г. Холина, д.ф.-м.н., в.н.с. И.Б. Коваленко (кафедра биофизики биологического факультета МГУ); к.ф.-м.н., с.н.с. Н.Б. Гудимчук (кафедра биофизики физического факультета МГУ)

    Cлева направо: к.ф.-м.н., н.с. В.А. Федоров, м.н.с. Е.Г. Холина, д.ф.-м.н., в.н.с. И.Б. Коваленко (кафедра биофизики биологического факультета МГУ); к.ф.-м.н., с.н.с. Н.Б. Гудимчук (кафедра биофизики физического факультета МГУ)

    Внутренний скелет клеток высших организмов состоит из трех основных типов белковых структур: микротрубочек, актиновых нитей и промежуточных филаментов. Наиболее жесткими каркасными структурами являются микротрубочки, представляющие собой длинные цилиндры, собранные из двух похожих глобулярных белков: α- и β-тубулинов. С помощью микротрубочек осуществляются многие жизненно важные процессы: движение клеток с помощью жгутиков и ресничек, внутриклеточный транспорт, поддержание формы клеток, организация внутриклеточного пространства и клеточное деление. В основе многофункциональности микротрубочек лежит явление динамической нестабильности. То есть микротрубочки могут спонтанно переходить от медленного удлинения к стремительному укорочению. Во всех клетках организма сборка и разборка микротрубочек четко регулируются. Например, в одних тканях они становятся более стабильными, а в других — динамика полимеров тубулина, наоборот, активизируется, приводя к изменению микротрубочек. Более того, иногда эти процессы настраиваются по-разному в разных частях одной клетки. Для этого специальные ферменты помечают гибкие участки на концах тубулинов — тубулиновые хвосты — с помощью специальных модификаций. Ферменты могут, например, отсоединить аминокислоты от тубулинового хвоста или, наоборот, подшить их. Поскольку подобные модификации сообщают информацию о дальнейших перестроениях, их называют тубулиновым кодом. О том, к каким изменениям приводят те или иные модификации, на сегодняшний день известно довольно много. А вот как именно эта информация считывается и реализуется, до сих пор неясно. Исследователи из МГУ совместно с зарубежными коллегами решили выяснить один из аспектов этого вопроса — модификации тубулиновых хвостов сами по себе приводят к изменению динамических свойств микротрубочек или они служат лишь сигнальным агентом для других белков.

    Рисунок 1

    Сотрудники кафедр биофизики биологического и физического факультетов МГУ теоретически показали, что тубулиновые хвосты могут напрямую влиять на скорость сборки микротрубочек. «На суперкомпьютере “Ломоносов-2” мы провели молекулярно-динамические расчеты, которые позволили теоретически показать, что гибкие хвосты α-тубулинов могут блокировать поверхность глобулы тубулина, необходимую для встраивания субъединицы тубулина в микротрубочку», — рассказывает ведущий научный сотрудник биологического факультета МГУ Илья Коваленко.

    Американская часть научного коллектива экспериментально проверила теоретические предсказания учёных МГУ. Опыты показали, что удаление гибкого хвоста α-тубулинов почти вдвое ускоряет сборку микротрубочек. Это позволяет предположить, что белки, связывающиеся с тубулинами, способны активировать сборку микротрубочек, взаимодействуя с заряженным хвостом тубулина. В статье также впервые показано, что удаление аминокислоты тирозина с конца заряженного хвоста α-тубулина влияет на микротрубочки опосредованно, препятствуя посадке на микротрубочки дополнительных регуляторных белков.

    «Совокупно полученные нами данные проясняют механизмы изменения динамики микротрубочек, зашифрованные тубулиновым кодом. Понимание тонкой регуляции свойств микротрубочек с помощью их гибких хвостов может пролить свет на патофизиологию нейродегенеративных заболеваний и нарушений развития организма, связанных с отклонениями динамических свойств микротрубочек от нормы», — заключает руководитель теоретической части работы, старший научный сотрудник физического факультета МГУ Никита Гудимчук, автор-корреспондент публикации.

    Рисунок 1. Иллюстрация роли хвостов тубулинов в регуляции их сборки. A. Конец микротрубочки и присоединяющийся димер тубулина. β-тубулины показаны светло-серым, α-тубулины – темно-серым цветом, а их гибкие хвосты – оранжевым и бирюзовым соответственно. Б. Крупный вид димера тубулина с α-хвостом, блокирующим поверхность взаимодействия с микротрубочкой. Красным и желтыми цветами отмечены участки глобулярной поверхности, с которыми наиболее часто взаимодействует заряженный хвост тубулина. Синим показана аминокислота в основании хвоста // Источник: Chen J. et al. α-tubulin tail modifications regulate microtubule stability through selective effector recruitment, not changes in intrinsic polymer dynamics // Developmental Cell. – 2021.

    Читайте также: