Переворот митотического веретена имеет катастрофические последствия для эпителиальных клеток

Научный сотрудник Института медицинских исследований Стоуэрса Мэтт Гибсон, доктор философии, и его команда используют простые системы животных, такие как дрозофилы и морские анемоны, чтобы исследовать, как эпителиальные клетки поддерживают порядок, сталкиваясь с клеточным делением.Новые результаты его лаборатории, опубликованные 21 июля в онлайн-выпуске журнала Nature, демонстрируют, что способ выравнивания митотического веретена — механизма, который разделяет хромосомы на дочерние клетки во время деления клеток — относительно поверхности клеточного слоя, имеет важное значение для поддержание целостности эпителия.

Это также намекает на удивительный способ, которым клетки запускают программу экспрессии генов, наблюдаемую при инвазивном раке, когда этот процесс идет наперекосяк.В исследовании используются живые изображения имагинальных дисков плодовых мушек, простых тканей личинок, которые в конечном итоге дают начало взрослому крылу. «В культуральной чашке клетки могут делиться волей-неволей», — говорит Гибсон. «Но в организме деление клеток должно быть согласовано с более широким структурным контекстом. Наша работа направлена ​​на то, как эпителиальные ткани поддерживают структурную целостность даже во время экстремальных событий деления клеток».

Отправной точкой для этой работы стал доклад лаборатории Current Biology 2011 года, показывающий, что при разделении столбчатых клеток, упакованных в эпителий, их верхний (апикальный) конец ненадолго раздувался, позволяя ядру клетки переместиться в эту область. Когда деление началось, митотическое веретено (которое точно распределяет хромосомы в каждую дочернюю клетку) неизменно ориентировалось параллельно апикальной поверхности эпителия.Другими словами, если вы направите крошечную камеру в кишечнике на делящиеся эпителиальные клетки его оболочки, вы «увидите» митотическое веретено, похожее на симметричную паутину, точно так же, как это было в школьном учебнике биологии.Чтобы определить, почему его ориентация была неслучайной, группа провела эквивалентный эксперимент.

Используя флуоресцентную визуализацию с высоким разрешением, чтобы заглянуть внутрь делящихся клеток в развивающихся крыльевых дисках, они заметили, что два полюса веретена всегда были рядом с перегородками, специфическими областями тесного молекулярного контакта между соседними клетками. Два компонента соединения, белки, названные Discs Large и Scribble, были сопоставлены с веретеном, предполагая, что они могут действовать как ориентиры для его ориентации.Казалось бы, странные названия, данные этим факторам несколько десятилетий назад, отражают то, что биологи видели в мутантах мух, лишенных каждого белка. У мух без больших дисков имагинальные диски сильно разрослись, а эмбрионы мух без Scribble напоминают хаотичные каракули, напоминающие опухоль.

Гибсон предположил, что сообщаемая активность этих белков по подавлению опухолей может быть связана с ролью в поддержании митотического веретена.Поэтому его группа генетически удалила Scribble, Discs Large и множество других факторов в клетках крыльевых дисков и наблюдала за тем, что происходит, когда клетки делятся, чему способствовал специализированный микроскоп, созданный Центром микроскопии Стоуэрса.

То, что они увидели, было поразительным: удаление каракулей заставляло митотическое веретено переворачиваться под случайным углом, как и удаление больших дисков. Затем, непосредственно воздействуя на веретено, исследователи засняли на видео процесс, при котором клетки с неправильно ориентированными веретенами начали отслаиваться или отслаиваться от эпителия.«Я не ожидал, что дефектов ориентации веретена может быть достаточно, чтобы вызвать потерю эпителиальной идентичности», — объясняет Ю-ичиро Накадзима, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Гибсона и первый автор исследования. «Но люди в этой области выдвинули гипотезу, что неправильная ориентация веретена может вызвать онкогенез или даже способствовать развитию рака».

Первоначально группа не наблюдала таких ужасных последствий: Гибсон говорит, что расслаивающиеся клетки обычно «выпадают из эпителия» и погибают в результате апоптоза — механизма, который здоровые ткани используют для уничтожения поврежденных клеток. Но когда команда экспериментально подавила апоптоз, в основании клеточного слоя возникли опухолевидные разрастания. Клетки в этих наростах экспрессируют гены, включенные в инвазивных опухолях человека, среди которых есть версия человеческой матричной металлопротеиназы-1, биомаркера эпителиального рака, у плодовых мух.

«Результаты, полученные из биологии эпителия, часто позволяют лучше понять развитие рака», — говорит Накадзима. «Мы обнаружили, что ориентация веретена играет роль подавления опухоли в пролиферирующем эпителии. Поэтому мы ищем другие регуляторы веретена, которые могут представлять новые супрессоры опухолей».Эпителиальные клетки человека действительно экспрессируют белки Scribble и Discs Large млекопитающих, и оба играют ключевую роль в поддержании полярности эпителиальных клеток, или shap — свойства, утраченного в метастатических раковых клетках. В настоящее время исследуется, действуют ли Scribble или Discs Large в качестве супрессоров опухолей при раке человека.

Гибсон призывает с осторожностью сравнивать регуляцию эпителия дрозофилы и человека. Тем не менее он отмечает, что нормальные ткани и у мух, и у людей защищают себя, убивая плохо себя ведающие клетки посредством апоптоза.

Если этот механизм не сработает, как это часто наблюдается при раке человека, неупорядоченные клетки эпителия могут ускользнуть.«Когда клетки в основном заключены в эпителиальный слой, все остается хорошо организованным», — говорит Гибсон. «Но в этом исследовании мы обнаружили, что простого принуждения клетки к отделению от эпителия достаточно, чтобы запустить программу аномальной экспрессии генов. Это означает, что поддержание упорядоченной структуры является не только физическим требованием, но также может защитить клетки от включения потенциально аберрантного гены ".Другими участниками были Эмили Мейер из лаборатории Гибсона и Аманда Крузен и Шон МакКинни, доктор философии, из Центра микроскопии Стоуэрса.

Исследование финансировалось Институтом медицинских исследований Стоуэрса и Фондом Берроуза Велкома.

Портал обо всем