Перемешивание митохондрий при делении клеток

Клеточные органеллы, называемые митохондриями, играют ключевые роли в метаболизме клеток, и их наследование должно протекать в правильном порядке в ходе деления клетки. Это выражается в трех типах взаимодействий с актиновыми филаментами и в распределении митохондрий при делении клеток.

В 1855 году немецкий естествоиспытатель Рудольф Вирхов произнес фразу «Omnis cellula e cellula» — «Все клетки происходят из клеток». Иначе говоря, клетки возникают вследствие роста и деления существующих клеток. Генетическая информация, хранящаяся в хромосомах, передается следующему поколению во время деления клеток в сложно организованном процессе, называемом митозом. В ходе многих десятилетий биологи бились над расшифровкой молекулярной хореографии этого увлекательного процесса. Однако значительно меньше внимания уделялось наследованию органелл, называемых митохондриями, принципиально важных для энергетического метаболизма. Поскольку эти структуры клетки не могут быть образованы de novo, они должны быть правильно унаследованы. В своей статье в «Nature» Moore с соавт. [1] описывают этот процесс с беспрецедентной подробностью.

За динамику клеток ответственны два основных составляющих цитоскелета (сети белков, определяющих клеточную архитектуру). Это микротрубочки — структуры, служащие рельсами для переноса органелл на дальние расстояния (в масштабах внутриклеточного пространства — прим. перев.), и нити актина, опосредующие транспортировку на короткие расстояния и позволяющие изменять форму на внешней границе клетки в области, именуемой корой. При делении клеток происходит кардинальная перестройка цитоскелета. Микротрубочки создают структуру, называемую веретено деления, которая необходима для распределения хромосом в ходе клеточного деления, а позже актиновые филаменты формируют сократительное кольцо, способствующее непосредственному разделению клеток.

Во время митоза органеллы претерпевают значительную перестройку. В клетках человека митохондрии часто образуют соединительные сети большой протяженности, и эти митохондрии фрагментируются на многочисленные небольшие объекты, которые теряют связь с микротрубочками при делении клетки [2, 3]. Долгое время считалось, что разделение митохондрий во время деления клеток по большей части является пассивным процессом, но это мнение претерпевает изменение уже сейчас.

Около десяти лет назад учеными сообщалось об открытии необычного поведения актинового цитоскелета в клетках человека [4]. Как было обнаружено, кластер актиновых нитей появляется на ранних этапах митоза, а затем проходит по кругу через цитоплазму с постоянной угловой скоростью. Это было зафиксировано с помощью покадровой съемки клеток с флуоресцентными нитями в виде кружащихся волн (рис. 1), которые выглядели как дисплей радара [4]. Несмотря на то, что это явление было впечатляющим с визуальной точки зрения, функции его оставались неясными. Теперь Moore с соавт. проливают свет на эту загадку. Используя передовые технологии в световой микроскопии, авторы приводят доказательства того, что эти актиновые волны задействованы во фрагментации митохондрий во время митоза клеток человека. Как и разделение хромосом, наследование митохондрий зависит от динамических процессов, напрямую зависящих от цитоскелета, но оказывается, что эти события разделения происходят совершенно по-иному.
 

Авторы описывают три пути взаимодействия митохондрий и актина во время митоза (рис. 1). В предыдущей работе высказывалось предположение [5] о том, что миозиновый двигательный белок Myo19 обеспечивает динамическую связь митохондрий с актиновой сетью и поддерживает распределение митохондрий по цитоплазме. В первую очередь авторы отмечают, что в ходе своего исследования они очень подробно следили за этим процессом и обнаружили, что он не зависит от присутствия актиновых волн. Помимо этого, внутри волны митохондрии окружены актиновыми нитями, напоминающими облака, которые, похоже, способствуют обездвиживанию органелл. И в-третьих, иногда эти облака «раскрываются», после чего следует удивительный всплеск митохондриального движения. Органеллы приводились в движение за счет быстрого роста (полимеризации) актиновых филаментов. В результате образовалось нечто, похожее на хвост кометы, состоящее из актина. Эти движения митохондрий оказались быстрыми, хаотично ориентированными и покрывали значительные расстояния в клетке.

Особенно интересны наблюдения Moore с соавт. за хвостами актиновых «комет». 20 лет назад было высказано предположение, что полимеризация актина управляет подвижностью митохондрий в клетках дрожжей [6]. Однако эта модель противоречива, потому что транспорт митохондрий в почки дрожжей, образующихся при делении этого грибка, опосредуется двигательным белком миозином, «движущимся» по «проводам» актина [7], а митохондриальные хвосты актиновых «комет» у дрожжей зафиксированы не были. Тем не менее, движение, основанное на динамике актина, довольно часто встречается в клетках животных. Такие процессы способствуют интернализации везикул, а актин используется некоторыми внутриклеточными патогенными микроорганизмами, позволяя им перемещаться в цитоплазме клетки-хозяина.

Авторы предоставляют потрясающие изображения двойных актиновых «хвостов», исходящих из передней части митохондрий и развивающихся позади органелл, подобно инверсионным следам, оставленным в небе двухмоторным самолетом. Хвосты «комет», которые наблюдали ученые, часто были слегка изогнутыми и очень напоминали кометные «хвосты» актина, образуемые некоторыми бактериями рода Rickettsia, которые инфицируют клетки и вызывают болезни [8].

Какой может быть функция такой динамики актиновых нитей при наследовании митохондрий? Внутри этих органелл содержится собственный геном, который кодирует основные белки, необходимые для выработки энергии в ходе процесса, называемого дыхательной цепью (также известной как цепь переноса электронов). Если в клетке накапливаются митохондрии с мутациями в ДНК, кодирующей компоненты этого метаболического процесса, производство энергии нарушается. Более того, если материнская клетка во время деления передаст дочерней большое количество митохондрий с мутированной ДНК, в ходе каждого последующего деления эти дефекты энергетического синтеза будут передаваться дочерним клеткам. Следовательно, аномалии могут распространяться на большую часть ткани и в конечном итоге нарушать функцию органа. Эта возможность подтверждает то, почему динамика актина может активно влиять на распределение митохондрий при клеточном делении.

Moore с соавт. применили так называемые оптогенетические устройства для создания клеток с поврежденными митохондриями. Авторы запустили синтез активных форм кислорода в выбранной группе митохондрий и специфичным образом пометили эти митохондрии. Было замечено, что распределение поврежденных органелл зависит от наличия циклических актиновых волн. Авторы загрузили результаты своих экспериментов в компьютерные модели, с помощью чего удалось подтвердить, что волны актина запускают всплески движения органелл, вызванные «хвостами» комет, что случайным образом распределяет митохондрии во время деления клеток. Эта активность способствует распространению органелл и служит гарантией того, что количество поврежденных митохондрий равномерно распределится между двумя дочерними клетками в ходе метода (рис. 1).

Открытия авторов приоткрывают несколько интригующих вопросов, заслуживающих дальнейшего изучения. Необходимо определить молекулярные пути, регулирующие динамику актина на поверхности митохондрий. В предыдущей работе [9] сообщалось, что вращающиеся волны актина регулируют баланс между распределением и слиянием митохондрий во время интерфазы клеточного цикла, предшествующей митозу. Также важно выяснить, является ли движение митохондрий, взаимосвязи и распределение процессами, взаимно влияющими друг на друга.

Некоторые типы клеток делятся асимметрично, что приводит к образованию дочерних клеток с различной судьбой. Во время деления стволовой клетки более старые митохондрии в делящейся клетке преимущественно переходят в дочернюю клетку, запрограммированную для дифференцировки. Более молодые и «приспособленные» митохондрии переходят в дочернюю клетку, поддерживающую функционал стволовых клеток [10]. Следовательно, можно предугадать, что перемешивание митохондрий подавлено в этих клетках и что другие, пока неизвестные, механизмы обеспечивают асимметричное распределение митохондрий. Ясно одно: митохондриальные исследования преподнесут еще много сюрпризов в будущем.