Аккуратное расхождение удвоенных хромосом между двумя дочерними клетками зависит от образования биполярного веретена, метафазного состояния, при котором сестринские кинетохоры прикрепляются к микротрубочкам, исходящим от противоположных полюсов веретена. Чтобы гарантировать двунаправленную ориентацию, клетки обладают системой надзора, которая защищает от дефектов прикрепления микротрубочек к кинетохорам, включая КПП (checkpoint) сборки веретена и аппарат коррекции ошибок. Однако недавно была установлена динамика центросом - т.е., разделение центросом и движение к полюсам удвоенных центросом - центральная мишень нарушений двунаправленной ориентации в раковых клетках.

A Clinical perspective on centrosome dynamics

Whole chromosome instability (W-CIN), нестабильность аккуратного расхождения удвоенных хромосом между дочерними клетками может приводить к возникновению в клетках аномального количества хромосом, состояния обозначаемого как анеуплоидия [1]. Хотя причинная взаимосвязь между анеуплоидией и раком остается предметом споров, анеуплоидия является распространенным признаком раковых опухолей человека и одним из нескольких механизмов, с помощью которых анеуплоидия, как полагают, управляет туморогенезом путем потери целых хромосом, которые содержат ключевые гены опухолевых супрессоров 1 и 2. Несмотря на это молекулярные и генетические основы W-CIN раковых клеток человека остаются плохо понятными. Большое внимание уделяется роли передачи сигналов митотического checkpoint, коррекции ошибок прикрепления и удвоению центросом, мутациям ключевых регуляторов этих митотических процессов, редко наблюдаемых в раковых опухолях человека [3]. Недавно несвоевременное разделение центросом было оценено как новый и потенциально частый источник анеуплоидии при раке человека 4, 5, 6, 7.

Centrosome structure

В клетках животных центросома является первичным центром, организующим микротрубочки 8 и 9. В неделящихся клетках центросомы располагаются в тесной близости к ядру, где они организуют микротрубочки, чтобы помочь становлению клеточной формы, полярности и собственно позиционированию субклеточных органелл [10]. В делящихся клетках центросомы удваиваются, чтобы сформировать биполярное митотическое веретено, которое разделяет хромосомное содержимое поровну между дочерними клетками. [9]. Одна центросома состоит из двух ортогонально расположенных цилиндрических органелл, наз. центриолями, которые соединены с помощью волокон, связывающих их проксимальные концы. Центриоли окружены неструктурированной массой белков, обозначенной как pericentriolar material (PCM) [11]. Каждая центриоля состоит из 9 триплетов микротрубочек, собранных в структуру в форме колеса. Спаренные центриоли отличаются др. от др. тем, что одна из них материнская центриоля с придатками на её дистальном конце, а др. дочерняя центриоля, лишенная этой структуры. PCM содержит γ -tubulin ring complexes (γ -TuRCs), а также несколько крупных биспиральных (coiled-coil) белков, включая pericentrin, ninein и Cep135, которые совместно участвуют в нуклеации, закреплении и позиционировании микротрубочек [12].

The centrosome cycle

Центросомы удваиваются и разделяются в ходе клеточного цикла и происходит это скоординировано по времени клеточного цикла. Мы разделим цикл центросом на две части: дупликация центросом и динамика центросом, соответствующей расщеплению (disjunction) и перемещению центросом. Удвоение центросомы происходит между поздней G1 и ранней G2 фазой и характеризуется 4 стадиями: высвобождение центриоли; удвоение центриоли; удлинение центриоли; и созревание центросомы. Ключевые события и молекулярные движущие силы каждой из 4-х ст. суммированы в Box 1. Дополнительные предпосылки удвоения центросомы см в обзорах 13,14, 15 и 16. Вторая часть цикла центросом, динамика центросом, происходит между поздней G2 и ранней M фазой.

Box 1. The four stages of centrosome duplication
Centriole disengagement
During late mitosis and the early G1 phase, the perpendicular orientation of centriole pairs is lost as the daughter centriole begins to dissociate and remains attached to the mother centriole merely through flexible fibers (Figure I). This process, termed centriole disengagement, is essential for limiting centriole duplication to one round per cell cycle and for recruiting PCM [58]. Separase and Plk1 have been identified as key regulators of centriole disengagement [59]. Separase is thought to drive disengagement by removing cohesin rings that hold mother and daughter centrioles together through proteolytic cleavage of the cohesin subunit Scc1 [60]. However, subsequent publications have argued against a need for cleavage of centriole-associated cohesin in disengagement 61 and 62. Plk1 regulates centriole disengagement through its interaction with a centrosomal splice variant of Sgo1 known as shorter shugoshin 1 (sSgo1). sSgo1 protects centriolar cohesin from untimely separase-mediated cleavage through a direct interaction with Plk1 [63]. Astrin and Akt kinase interacting protein 1 (Aki1 kinase) also regulate centromeric and centriolar cohesin dissolution through a largely unresolved mechanism 64 and 65.

Figure I. The centrosome cycle. The centrosome cycle is divided into two parts: centrosome duplication, which encompasses centriole disengagement, duplication, elongation, and maturation; and centrosome dynamics, which includes centrosome disjunction and movement. In late mitosis, the daughter centriole disengages from the mother centriole and the two centrioles lose their orthogonal configuration (centriole disengagement). At the G1/S transition, one new daughter centriole is synthesized per mother centriole to form a new centrosome (centriole duplication and elongation). In the late G2 phase, both centrosomes recruit PCM components in order to prepare for mitosis (centrosome maturation). At the G2/M transition, centrosomal cohesion is gradually lost (centrosome disjunction) and centrosomes move toward opposite poles to form a bipolar spindle (centrosome movement) 9, 10 and 11.

Figure options Centriole duplication Following disengagement, the cell contains one centrosome comprised of two structurally and functionally dissimilar centrioles. The mother centriole, which originates from the mother cell, nucleates and organizes microtubules, whereas the daughter centriole, which is replicated from the mother centriole as a procentriole, only nucleates microtubules and is relatively mobile [14]. Synthesis of the daughter centriole from a pre-existing mother centriole, termed centriole duplication, takes place in the early S phase. Centriole duplication is incompletely understood, but involves at least five key proteins: CEP192, SAS-4 (CPAP), SAS-5 (STIL), SAS-6, and Plk4 [66]. The latter two are particularly important as their overexpression is associated with increased centriole synthesis, centrosome amplification, and chromosomal instability 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74 and 75. Centriole elongation Newly generated daughter centrioles (also called procentrioles) that emerge near the proximal ends of mature centrioles during the early S phase elongate and reach full length by the late G2 or early M phase (Figure I). Elongation requires several proteins, including POC5, OFD1, SAS-4, and CP110 [14], with the latter two being best understood at a molecular level 76, 77 and 78. Centrosome maturation In the late G2 phase, the PCM dramatically increases ?-TuRCs and its associated proteins, a process referred to as centrosome maturation (Figure I) [79]. Both Plk1 and Aurora A are recruited to the centrosomes in G2 to mediate maturation 80 and 81. Recruitment of Aurora A to centrosomes is dependent on Plk1 activity, while activation of centrosome-associated Plk1 is dependent on Aurora A kinase activity [82]. The microtubule-binding protein TPX2 is also involved in centrosome maturation, presumably by interacting with, and activating Aurora A 83, 84 and 85. Other Plk1 substrates implicated in maturation are pericentrin, NEDD1, CEP192, and CEP215 [86]. Centrosome maturation is initiated when Plk1 phosphorylates pericentrin and NEDD1, which properly targets γ-TuRC to the PCM 87 and 88. Aurora A then localizes to the centrosome and is activated by Plk1 and the LIM kinase protein Ajuba to complete centrosome maturation by recruiting large tumor suppressor kinase 2 (LATS2), nuclear distribution protein nudE-like 1 (NDEL1), and transforming, acidic coiled-coil containing protein 3 (TACC3) to the centrosome via phosphorylation [82].

Centrosome dynamics

Динамика центросом может быть подразделена на две стадии: разъединение центросом в поздней G2 фазе и перемещение центросом с помощью микротубулярных моторных белков в направлении противоположных полюсов п профазе или прометафазе.

Centrosome disjunction

Вплоть до поздней G2 фазы центросомы соединены с помощью центросомных слипчивых комплексов, включающих C-Nap1 и rootletin [17]. C-Nap1 это крупный coiled-coil белок, который локализует rootletin на проксимальном конце центриолей, которые физически связывают две центриоли посредством фиброзных полимеров [17]. Позднее в G2, C-Nap1 и rootletin фосфорилируются с помощью never in mitosis A (NIMA)-родственной Ser/Thr киназы Nek2A, вызывающей разъединение центросом (Figure 1A) 18 и 19. Накопление Nek2A на центросомах регулируется с помощью двух компонентов пути Hippo, человеческого Salvador homolog 1 (hSav1) и Ser/Thr протеин киназы Mst2, последняя активирует Nek2A посредством фосфорилирования (Figure 1A) [20]. В свою очередь, polo-like kinase 1 (Plk1) активирует Mst2 посредством фосфорилирования. Эта специфическая пост-трансляционная модификация способствует также разъединению центросом путем предупреждения Nek2A от соединения с Ser/Thr protein phosphatase 1γ (PP1γ) которая противодействует Nek2A (Figure 1A).

Figure 1. Centrosome dynamics. Centrosome separation occurs in two parts from late G2 through mitosis: disengagement and movement. (A) Hypothetical model for centrosome disjunction. Centrosome-associated cyclin B2/cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1) acts to initiate centrosome disjunction through phosphorylation (P) of Aurora A (AurA), which in turn phosphorylates polo-like kinase 1 (Plk1). Activated Plk1, phosphorylates the Salvador homolog 1 (Sav1)-bound Ser/Thr protein kinase mammalian sterile 20-like kinase 2 (Mst2), triggering Mst2-mediated phosphorylation of the Ser/Thr kinase Nek2A. Activated Nek2A phosphorylates the centrosome linker proteins C-Nap1 and rootletin (Rotl), causing the physical separation of sister centrosomes. The protein phosphatase 1 ? (PP1 ?) Nek2A phosphorylation of centrosomal Nek2-associated protein 1 (C-Nap1) and rootletin. 13, 20 and 25. (B) Model for centrosome movement. Plk1 targets the kinesin Eg5 to centrosomes through sequential phosphorylation of Nek9 and Nek6/7. Cdk1 has also been proposed to be important for Eg5 activation and binding to microtubules 13, 25, 31 and 89.

Недавно было установлено, что cyclin B2/cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1) является вышестоящим регулятором пути, Nek2-зависимого разъединения центросом [5]. Cyclin B2 является членом B-типа семейства циклинов и активирует Cdk1 путем непосредственного связывания [21]. До этого было мало известно о cyclin B2 кроме того, что он локализован в центриолярных сателлитах в соматических клетках и выполняет неизвестную роль в формировании веретена в ооцитах Xenopus 22 and 23. В экспериментах с использованием моделей избыточности и недостаточности функции, cyclin B2, как было установлено, играет критическую роль в разделении центросом вовремя G2, способствуя активности Aurora A в центросомах (Figure 1A). Aurora A необходима для активации Plk1 [24], которая регулирует разделение центросом с помощью Nek2A-зависимого фосфорилирования центросомных линкерных белков C-Nap1 и rootletin 13 and 25. Избыточная экспрессия cyclin B2 запускает гиперактивацию этого пути, приводя к преждевременному разделению центросом. Напротив, истощение cyclin B2 снижает уровни центросомных p-Aurora A и p-Plk1 и подавляет разъединение центросом в эмбриональных клетках мыши и человека. Контроль разделения центросом с помощью cyclin B2 зависит от p53, который негативно регулирует Aurora A на транскрипционном и пост-транскрипционном уровне [26]. Потеря p53 увеличивает экспрессию и фосфорилирование Aurora A, приводя к преждевременному разделению центросом. Эта находка показывает, что cyclin B2 и p53 противоположным образом координируют разъединение центросом и демонстрируют, что cyclin B2/Cdk1 является вышестоящим регулятором пути, Nek2A-зависимого разделения центросом.

Передача сигналов Wnt через эффектор β-catenin участвует в регуляции разделения центросом [27]. β-catenin, как было установлено, является субстратом для Nek2A и располагается в проксимальных и дистальных регионах центриолей [28]. Истощение β-catenins приводит к образованию однополярных веретен, подчеркивая его роль в динамике центросом [27]. Истощение или rootletin, или C-Nap1 вызывает преждевременное разделение центросом, указывая, что β -catenin оперирует функционально отличающимся образом.

Помимо C-Nap1 и rootletin, Cep68 и Cep215 были идентифицированы как центросомные линкерные белки при базирующемся на siRNA скрининге слипчивости центросом [29]. И Cep68, и Cep215 обнаруживаются в центросомах, но отличаются своей локализацией. В то время как Cep68 вносит вклад в динамичную линкерную структуру, Cep215 взаимодействует с и поэтому функционирует ниже pericentrin [29]. Потеря Cep68 из центросом после вступления клеток в митоз, и потеря опоры для рекрутирования др. линкерных белков в центросомы согласуется с тем, что Cep68 является мишенью для Nek2A. Отличающееся поведение и локализация Cep215 говорят в пользу альтернативного способа регуляции, вообще-то прямо посредством Plk1.

Centrosome movement

После разъединения центросом (при переходе G2/M), две несвязанные центросомы начинают двигаться в направлении их соотв. мест прикрепления. Перемещение центросом сложный, многосторонний процесс, остающийся до конца не понятым на молекулярном уровне 13 and 30. Кинезин Eg5 играет центральную роль в перемещении центросом. Этот на плюс-концы микротрубочек направленный моторный белок накапливается в центросомах и астральных микротрубочках, где он генерирует направленные наружу 'движущие' силы за счет скольжения антипараллельных микротрубочек между центросомными парами в противоположных направлениях (Figure 2). Nek6 и 7, и, по-видимому, cyclin-Cdk1, облегчают доставку Eg5 на центросомы посредством фосфорилирования (Figure 1B) [31]. Активация Nek6 и 7 обеспечивается с помощью Nek9, которая в свою очередь активируется с помощью активности киназы Plk1 31, 32, 33 and 34. В то время как важность Eg5 в движении к полюсам центросом была установлена первой, последние исследования продемонстрировали, что дополнительные белки также необходимы для генерации необходимых сил для перемещения центросом 30 and 35. Dynein-dynactin движущие комплексы в коре клетки и в ядерной оболочке генерируют 'тянущие' силы к собственно позиции индивидуальных центросом (Figure 2) 36 and 37. Кроме того, кинетохоры участвуют в перемещении центросом путем образования K-волокон [38]. Более того, актиновый цитоскелет участвует в перемещении центросом [30]. Однако, как актин генерирует необходимые силы для перемещения центросом, остается в основном неизвестным.

Figure 2. Motor proteins forces drive poleward movement of duplicated centrosomes. Separated centrosomes move toward their respective anchoring sites with the help of multiple motor proteins, including the kinesin Eg5 and dynein. Eg5 is a plus-end-directed motor protein that generates an outward pushing force between the centrosome pair [30]. Cortical and nuclear envelope associated dynein pull centrosomes apart through a minus-end-directed force 90 and 91.

Abnormal centrosome dynamics

Взаимоотношения между разделением центросом и и неправильным расхождением хромосом исторически упускались по нескольким причинам. Во-первых, образование биполярного веретена может быть достигнуто в некоторых экспериментальных условиях, когда центросомы удалены с помощью лазера или микрохирургии 39 and 40, приводя к некоторым сомнениях относительно их роли в этом процессе. Во-вторых, инициация разделения центросом в индивидуальных клетках культуры, как известно, происходит в течение продолжительного времени, от профазы до прометафазы, подразумевая гибкость между синхронизацией разделения центросом и ходом митоза 38 and 41. Более того, центросомы, которые были иммобилизированы перед разрывом ядерной оболочки (NEBD) могут быть компенсированы задержкой их центросом в прометафазе без нарушения расхождения хромосом 38 and 41. В-третьих, Drosophila melanogaster, лишенные центросом, могут развиваться без заметных аномалий [42]. Следовательно, неисправности в контроле разделения и перемещения центросом перед NEBD казались в основном несущественными в качестве источника анеуплоидии. Однако вследствие нескольких недавних достижений, стало ясно, что разделение центросом является высоко организованным процессом, нуждающимся в развертывании во времени и контролируемого таким способом, чтобы создать биполярное веретено, для аккуратной сегрегации хромосом между двумя дочерними клетками.

Abnormal centrosome dynamics and aneuploidization

Как упоминалось выше, недавние работы нескольких лаб. подчеркнули критическую роль собственно динамики центросом в обеспечении аккуратного расхождения сестринских хроматид, при этом задержка или ускорение разделения центросом повышают величину дефектов геометрии веретена в метафазе и митотических ошибок 4, 5 and 7 (Figure 3). Более того, растут доказательства, что динамика центросом точно регулируется с тем, чтобы ограничить риск неопластических трансформаций. Как же задержка разделения центросом приводит к W-CIN.

Figure 3. Hypothetical mechanisms by which aberrant centrosome dynamics promote merotely and chromosome lagging. Normal centrosome dynamics promote amphitelic attachments and faithful chromosome segregation between daughter cells. Delayed centrosome disengagement promotes merotelic attachments in early prometaphase because kinetochores are accessible to microtubules from spindle poles in close proximity. At this stage, immature kinetochores have not yet recruited all of the proteins necessary for proper kinetochore-microtubule attachments, increasing the likelihood of merotelic attachments and/or decreasing the efficiency at which merotelic attachments are detected and resolved. Alternatively, delayed centrosome disengagement is associated with spindle asymmetry in metaphase, which may also promote misattachments prior to anaphase. Accelerated centrosome disengagement may promote merotelic attachments in early prometaphase again through a combination of suboptimal microtubule approach angle to the kinetochore and immature kinetochores that cannot detect and/or resolve merotelic attachments. Similar to delayed disengagement, accelerated centrosome disengagement has been associated with spindle asymmetry in metaphase, which is likely to promote merotelic attachments just prior to anaphase onset. Unresolved merotelic attachments resolve in chromosome lagging. Abbreviations: MT, microtubule; NEBD, nuclear envelope breakdown; KT, kinetochore.

Пионерской работой для понимания, как задержка разделения центросом облегчает неправильное расхождение хромосом стала работа Silkworth and Cimini [7]. Используя субклон клеток Ptk1 с медленно разделяющимся центросомами, они открыли, что микротрубочки, исходящие от полюсов веретена в тесной близости др. к др., способствуют merotelic прикреплениям, типу ошибочного закрепления, при котором одна кинетохора прикрепляется к микротрубочкам, исходящим от обоих полюсов веретена (Figure 3). Такие merotelic прикрепления могут формироваться или прямо или косвенно посредством syntelic промежуточных образований, когда оба сестринских кинетохора прикрепляются к микротрубочкам от одной центросомы. Merotelic прикрепления особенно вредны для делящихся клеток, поскольку они не распознаются checkpoint сборки веретена и могут приводить к задержке хромосом, если остаются неисправленными из-за нарушений аппарата коррекции ошибок (Figure 3) [43]. Этот принцип был позднее проиллюстрирован на Usp44 нокаутных мышиных эмбриональных фибробластах (MEFs), где задержка разъединения центросом приводила к аномальному позиционировании веретена в метафазе и отставанию хромосом [4].

Недавнее исследование избыточной экспрессии cyclin B2 показало, что ускорение разделения центросом также может приводить к аномальному позиционированию веретена в метафазе, к образованию merotelic прикреплений и запаздывающих хромосом [5]. Поскольку эти исследования показали, что перемещения центросом и прикрепление микротрубочек к кинетохорам нуждаются в тонкой координации, чтобы гарантировать правильное расхождение хромосом, механистическая база для увеличения merotely после ускорения разделения центросом остается неизвестной.

Единственная возможность, что рано в прометафазе незрелые кинетохоры клеток с полностью (или почти полным) разделенными центросомами менее чувствительны к отлавливанию приближающихся сбоку микротрубочек и, поэтому они склонны давать merotelic прикрепления (Figure 3). После NEBD, сборка кинетохор всё ещё в ходу и цитоплазматические кинетохорные белки, важные для собственно соединения микротрубочек кинетохор, такие как BubR1, активно рекрутируются на кинетохоры. Зрелые кинетохоры являются массивными, мультибелковыми структурами, способствующими собственно прикреплению микротрубочек, благодаря, частичным стерическим несоответствиям. Когда микротрубочки, исходящие от полюса веретена приближаются сбоку к незрелой2 кинетохоре, то незрелая кинетохора может быть недостаточно развитой, чтобы направлять микротрубочки к её оптимальной позиции на несформировавшейся наружной кинетохоре и поэтому микротрубочка может, скорее всего, соединяться несоотв. образом с противоположной кинетохорой и давать merotelic прикрепление.

Др. возможность заключаться в том, что повышенная доля merotely является следствием дефектов геометрии веретена, возникающих из-за раннего разъединения центросом (Figure 3). Перпендикулярная геометрия веретена определяется как угол в 90° между метафазной пластинкой и мысленной линией, соединяющей два полюса веретена, расположенных на противоположных сторонах метафазной пластинки (Figure 4). Полюса веретена, которые не располагаются перпендикулярно к метафазной пластинке могут способствовать merotelic прикреплениям, которые могут эффективно преодолевать аппарат коррекции ошибок и снижать его способность корректировать merotelic прикрепления до анафазы.

Figure 4. Improper anchoring of astral microtubules at cell cortex as a source of spindle geometry defects. In cells with normal spindle geometry (left), dynein-dynactin interacts with the G?i-LGN-NuMA anchor protein complex [54] and captures astral microtubules near the cortex contributing to symmetrical spindle pole orientation and proper kinetochore-microtubule attachment. In cells with abnormal spindle geometry, demarcation of cortical anchoring regions is not symmetrical, resulting in improper kinetochore-microtubule attachment (right).

Альтернативно, Aurora B-управляемый аппарат коррекции ошибок может функционировать менее эффективно по коррекции merotely в присутствии аберрантных сил веретена, генерируемых на внутренних центросомах асимметричного веретена (Figure 3). Внутренняя центромерная Aurora B дестабилизирует несовершенные соединения кинетохор с микротрубочками, включая merotelic прикрепления, путем фосфорилирования своих субстратов, расположенных на наружных кинетохорах. Недавние исследования подтвердили, что киназная активность Aurora B зависит от её близости к этим субстратам 44, 45 and 46. Поскольку натяжения внутри кинетохор, по-видимому, действуют как переключатели на коррекцию ошибок 47 and 48 - могут ли низкое натяжение в отсутствии напряжения будет способствовать дестабилизации, тогда как высокое натяжение в присутствии напряжения будет способствовать стабильным прикреплениям - напряжение, генерируемое в условиях асимметрии веретена, может несосотв. образом замалчивать киназную активность Aurora B за счет физического её отделения от её субстрата, приводя к merotelically прикрепленным кинетохорам, неизвестно.

Как упоминалось ранее, динамика центросом соответствует высвобождению и движению к полюсам. Возможно, что нарушение перемещения центросом, или слишком медленное или быстрое, также может способствовать merotelic прикреплениям и отставанию хромосом. Молекулярные механизмы, управляющие перемещением центросом остаются плохо изученными, какой из ключевых барьеров необходимо проверить для тестирования этой идеи. Сегодня Eg5 является вообще-то наиболее подходящим кандидатом на роль молекулярной мишени, которая может замедлять перемещение центросом и нарушать становление ортогонального биполярного веретена. Помимо Eg5 -специфических мутаций, которые могут ограничивать его двигательный потенциал или нарушать его способность соединяться с микротрубочками, дефекты доставки Eg5 в центросомы также могут задерживать движение к полюсам и приводить к аномальной геометрии веретена. Сходным образом, избыточная экспрессия Eg5 также может негативно влиять на динамику центросом и способствовать ошибкам расхождения хромосом. В согласии с этой идеей, MEFs, с избыточной экспрессией Eg5 обнаруживают геномную нестабильность и оказываются неспособны формировать необходимое биполярное веретено в митозе [49]. Более того, Eg5 трансгенные мыши обнаруживают высокую склонность к образованию спонтанных опухолей, к дальнейшим дефектам, связанными с расхождением центросом, W-CIN и раку.

Интересно, что и задержка, и ускорение разделения центросом способствуют образованию несимметричных митотических веретен с несоотв. образом ориентированными полюсами 4 and 5. Одним из возможных объяснений может быть несоответствующее время перемещения центросом, вызываемое нарушением регуляции молекулярных событий, обеспечивающих закрепление полюсов веретена на клеточном кортексе (Figure 4). Большая часть сегодняшних механистических знаний о закреплении в кортексе полюсов веретена получена на стволовых клетках, которые используют закрепление на специфических кортикальных регионах, чтобы обеспечить неравное распределение белков и органелл во время клеточных делений, делая возможным одной дочерней клетке сохранять свою способность к само возобновлению, а др. вступать в дифференцировку 50, 51 and 52. Места кортикального закрепления обеспечиваются с помощью специфических мультибелковых комплексов. G белок Gαi накапливается на определенных местах прикрепления и мобилизирует LGN, крупный каркасный белок. LGN, в свою очередь, ответственен за рекрутирование белка, связывавшего микротрубочки, NuMA и моторного комплекса dynein-dynactin, который обеспечивает направленные на плюс конец микротрубочек тянущие силы (Figure 4) 50 and 53. Стрежневые компоненты аппарата закрепления полюсов веретена также присутствуют в клетках, где они также могут играть центральную роль в ориентации и закреплении полюсов веретена 53 and 54. Необходимо изучить, являются ли эти компоненты объектами нарушения регуляции в клетках с дефектами геометрии веретена из-за аномального закрепления полюсов веретена. Более того, сигналы от внеклеточного матрикса, как известно, вносят вклад в ориентацию веретена, напр., путем регуляции кортикальной актиновой структуры и динамики 55, 56 and 57 и необходимо проверить связь дефектов геометрии веретена с разделением центросом.

Abnormal centrosome dynamics and cancer

Физиологическое значение неполного разделения центросом недавно продемонстрировано на мышах с отсутствием Cdc20 deubiquitinase Ups44 [4]. Usp44 нокаутные мыши обнаруживают склонность к анеуплоидии и высоко чувствительны к образованию спонтанных опухолей. Потеря Usp44 вызывает запаздывание хромосом и Usp44 впоследствии обнаружился как необходимый для собственно разъединения центросом и образования перпендикулярного веретена в метафазе (Figure 5). Напротив, ускоренное разделение центросом в G2 фаза, по-видимому, является ключевым событием, способствующим образованию опухолей у мышей с избыточной экспрессией cyclin B2 [5]. Высокие уровни cyclin B2, как было установлено, способствуют повышенной активности центросомных Aurora A и Plk1, это приводит к аномальной геометрии веретена и к W-CIN, характеризуясь преимущественно запаздыванием хромосом (Figure 5). Более того, нокдаун cyclin B2 в нетрансформированных эмбриональных клетках приводит к снижению активности Aurora A и Plk1, неполному разделению центросом, асимметричной метафазной геометрии веретена и запаздыванию хромосом.

Figure 5. Cancer-associated molecular drivers of abnormal centrosome dynamics. Usp44 knockout and cyclin B2 overexpression cause spontaneous tumors in mice and feature delayed and accelerated centrosome separation, respectively four and 5. p53 inactivation also causes abnormal centrosome disjunction and is the most commonly mutated tumor suppressor in human cancers. It is likely that there are many other proteins, such as the chromosome instability 70 (CIN70) gene Nek2A [92], that regulate centrosome disjunction that, when altered, promote CIN and may be associated with cancer. Likewise, abnormal centrosome movement, as is the case for Eg5 overexpression, is tightly associated with CIN and tumorigenesis. There remains a critical need to identify other cancer-associated genes that normally regulate centrosome dynamics.

Итак, эти исследования предполагают критическую роль собственно для времени разъединения центросом для супрессии опухолей. И незавершенное и ускоренное разделение центросом тесно ассоциированы с туморогенезом in vivo, они ставят вопрос, как широко распространено аномальное разделение центросом в раковых опухолях человека без амплификации центросом. Поскольку динамика центросом чувствительна к пертурбациям - т.е. к преждевременному и задержанному разделению центросом, приводящему к неправильному расположению веретена и к W-CIN - позволяет предположить, что дефекты разделения центросом являются широко распространённым признаком генетически нестабильных раковых клеток. Наблюдение, что запаздывающие хромосомы представляют основной дефект разделения в раковых клетках [43] подтверждает это мнение. В самом деле, p53, как известно, управляет соответственно временем разделения центросом и трехмерным позиционированием веретена путем регуляции активности центросомной Aurora A 5 and 26. Значение этого открытия заключается в том, что опухоли, характеризующиеся потерей функции p53, могут приспосабливать mutator фенотип частично благодаря потере или избытку целых хромосом, возникающим в результате раннего разъединения центросом и образования асимметричных митотических веретен (Figure 5). Т.о., p53 является прототипическим примером широко распространенного изменяемого критического для рака гена, который может также управлять CIN. Фактически некоторые супрессоры опухолей и онкогены были описаны, как вызывающие CIN [3]. Важно определить, какого типа мутации p53 обнаруживаемые в раковых опухолях человека нарушают контроль над Aurora A, чтобы лучше понять распространенность аномальной динамики центросом при раках у человека. Было бы также важно различить, какие др. распространенные измененные белки супрессоров опухолей и/ или онкогены управляют CIN путем изменения обычной динамики центросом.

Concluding remarks

The centrosome organizes microtubules within the cell and helps establish cell shape, polarity, subcellular localization of organelles, and bipolar spindle formation. The centrosome is duplicated, disjoined, and translocated once per cell cycle in distinct phases that are governed by a subset of master regulators that include Plk1, Plk4/SAS-6, Aurora A, Eg5/dynein, cyclin B2, and p53. Recent advances in the field have implicated normal centrosome dynamics as a critical process to ensure accurate segregation of duplicated chromosomes between daughter cells. Furthermore, studies aimed to decipher the physiological relevance of centrosome dynamics in mice have suggested that abnormal timing of centrosome separation may be a common and potent CIN-inducing event tightly associated with cancer. These studies have shown that proper centrosome splitting may be a commonly deregulated process in human cancers by virtue of the fact that the most frequently mutated tumor suppressor, p53, plays a central role in governing centrosome disjunction by controlling Aurora A activity. This observation raises the possibility that other frequently mutated cancer-critical tumor suppressor genes and oncogenes may promote W-CIN by disrupting the timing and/or movement of centrosomes as the cell attempts to form a bipolar spindle. The frequency of centrosome separation defects in cancer cells, and the molecular pathways implicated therein, will be important to identify in order to better understand the stepwise process of cellular transformation, pathogenesis of cancer, and to develop novel therapeutic approaches for patients with malignant neoplasms.

Centrosome dynamics as a source of chromosomal instability Hyun-Ja Nam1, Ryan M. Naylor, Jan M. van Deursen АВТОРЫ Volume 25, Issue 2, February 2015, Pages 65–73

Centrosome dynamics as a source of chromosomal instability
Hyun-Ja Nam1, Ryan M. Naylor, Jan M. van Deursen АВТОРЫ
Volume 25, Issue 2, February 2015, Pages 65–73