Biologové, kteří studují mechaniku buněčného dělení, se léta neshodli na tom, jak velká síla působí, když molekulární motory buňky vystýlají chromozomy v buňce a připravují se na naviják kopií na opačné póly přes strukturu podobnou mostu nazvaný kinetochore, aby vytvořil dvě nové buňky. Tato otázka je zásadní pro pochopení toho, jak se buňky dělí, říká buněčný biolog Thomas Maresca z University of Massachusetts Amherst.
Jak říká: „Víme, že nemůžeme plně porozumět struktuře kinetochor, dokud nepochopíme napínací síly a jejich sílu, ale odhady byly po celé mapě. Liší se řádově, stokrát a některé se liší tisíckrát. Ale teď si myslím, že jsme konečně dostali odpověď."
Správná segregace chromozomů je základním, nezbytným krokem v přesném buněčném dělení, poznamenává biolog. Chybná segregace chromozomů vede k aneuploidii, která je hlavní příčinou potratů a chromozomálních abnormalit a je také spojována s rakovinou.
Pomocí dvou různých senzorů síly k měření protichůdných sil uvnitř dělících se buněk drozofily Maresca a kolegové z UMass Amherst navrhli, že vlákna kinetochorů vyvíjejí stovky pikonewtonů pólově směrované síly na kinetochory, čímž se řeší otázka, jak velká je síla přivedl k snesení. Podrobnosti najdete v aktuálním vydání Nature Communications.
V experimentech po dobu tří let, které přinesly více než 3 200 datových bodů, Maresca říká: „Povaha experimentů vyžadovala, aby bylo pod mikroskopem vizualizováno a pečlivě analyzováno mnoho a mnoho jednotlivých kinetochorů. Údaje byly v souladu s tím, že síla byla velmi vysoká. Ve světě molekulárních motorů v nanoměřítku jsou síly, které jsme naměřili, velmi velké. V buňkách je mnoho různých typů motorů, mnohé jsou jako sprinterské, ale to, co jsme změřili, je spíše jako buldozer produkující velkou sílu při pomalém, ale stálém tempu. Doufám, že naše výsledky pomohou vyřešit tuto dlouhodobou otázku."
Poukazuje na to, že při normálním buněčném dělení se chromozomy seřadí poblíž středu buňky, kde struktura zvaná vřeténka zarovná dvě kopie každého chromozomu a pomůže je oddělit. To vše vyžaduje proteinovou strukturu podobnou můstku zvanou kinetochore, která udržuje správnou sílu nebo napětí, jako jsou můstkové kabely stabilizující chromozomy při jejich interakci s vřetenovými vlákny nazývanými mikrotubuly. Když je buňka připravena se dělit, molekulární motory oddělí kopie chromozomů. Mikrotubuly také hrají aktivní roli v tomto procesu a při dělení se odtahují jako banánová slupka.
„Vědět, jakou silou působí mikrotubuly a vřeteno na kinetochor, je velmi důležité, protože je to jako most,“říká Maresca. "Pokud nevíte, jaká je síla potřebná pro podepření mostu, chybí vám základní část příběhu. Nechtěli byste jet po mostě s takovou nejistotou, jaké síly na něj působí. Nemít tato položená otázka síly představovala velkou mezeru v našem základním chápání buněčné biologie, zejména proto, že kinetochory jsou pravděpodobně nejdůležitějšími strukturami přenášejícími sílu v buňce; jsou jako Zlatá brána nebo Brooklynské mosty buněčného světa."
Pro tuto práci on a postgraduální studenti Anna Ye a Stuart Cane použili dva různé senzory síly vložené do kinetochorů. Zobrazovali buňky na výkonných mikroskopech, které detekují světlo vyzařované fluorescenčními molekulami v každém senzoru. Jeden senzor byl navržen tak, aby vykazoval sníženou fluorescenci, když na něj byla aplikována síla, zatímco druhý se stal jasnějším pod napětím. Protože oba senzory byly předem zkalibrovány, odpovídaly naměřené změny fluorescence působení určité síly. Dvě reportérské metody se shodly a umožnily výzkumníkům dospět k pevnějšímu závěru o množství síly působící na kinetochory.
"Motory, které se pohybují po stopách mikrotubulů jako auta na dálnici, dělají spoustu práce v buňkách. Naše data nás však vedla k přesvědčení, že ve skutečnosti jsou to samotné stopy mikrotubulů, které jsou nejschopnější produkovat množství sílu, kterou jsme měřili, "říká Maresca. "Je to silné, ale ne rychlé, a myslíme si, že většinu síly vynakládají silnice, ne motory."
Pro tuto práci byla některá data shromážděna v Light Microscopy Core a Nikon Center of Excellence v UMass Amherst's Institute for Applied Life Sciences s podporou Massachusetts Life Sciences Center. Financování pochází od UMass Amherst, March of Dimes Foundation, Charles H. Hood Foundation a NIH National Institute of General Medical Sciences.
