Посещений:
ЦЕНТРИОЛИ, ЦЕНТРОСОМЫ



Структура и функция

Once and only once: mechanisms of centriole duplication and their deregulation in disease
Erich A. Nigg & Andrew J. Holland
Nature Reviews Molecular Cell Biology volume19, pages297–312 (2018)

  • Centrosome duplication is tightly regulated to ensure that centrioles duplicate only once per cell cycle and that only one new centriole is produced per pre-existing centriole
  • Phosphorylation events have an important role in controlling centriole number. Polo-like kinase 1 (PLK1) has a key function in cell cycle control of centriole duplication, whereas PLK4 takes centre stage in controlling centriole copy number
  • Recent work has uncovered the existence of distinct signalling pathways that limit the proliferation of cells with an increase or decrease in centrosome number
  • The presence of extra centrosomes can endow cells with oncogenic properties. However, overcoming the inhibitory effect of extra centrosomes on cell proliferation is necessary to allow cells with extra centrosomes to sustain the cell divisions required for tumour development
  • Primary microcephaly may be caused by deregulation of centriole numbers and, potentially, by pathological activation of the mitotic surveillance pathway, and in consequence cell cycle arrest or apoptosis, in the developing brain



    • Рисунки к статье

    Центросомы функционируют в клетках животных как центры, организующие микротрубочки и выполняют ключевые роли в регуляции формы, полярности и подвижности клеток, а также в формировании веретена, расхождении хромосом и цитокинезе1-4. Обычно клетки животных начинают клеточный цикл с одиночной центросомой, представленной парой центриолей. Центриоли собраны из белкового матрикса, известного как перицентриолярный материал (PCM), который содержит не только белки, важные для нуклеации микротрубочек5 , но и также регуляторы клеточного цикла и его контрольные точки (checkpoints)6. Полностью созревшие центриоли также закрепляются на плазматической мембране, где они функционируют в качестве базальных телец для формирования реснички или жгутика 7, а дисфункция аппарата базальное тельце-ресничка вызывает цилиопатии8.
    В делщихся клетках две родителские центриоли удваиваются однажды в каждом клеточном цикле, формируя две центросомы, которые функционируют как полюса веретена при митозах.

    Table 1: A brief guide to the nomenclature of the main centriole biogenesis proteins

    Centrosome structure and assembly


    Удвоение центриолей и сборка центросом являются сложными процессами, нуждающимися в тонкой регуляции во время пролиферации и развития. Ключевые компоненты, участвующие в этих процесса, недавно были идентифицированы.
    Становление структуры центриолей. Центриоли являются цилиндрическими структурами, характризующиеся эволюционно законсервированной радиальной nine-fold симметрией11,12 (Fig. 1Aa). У позвоночных стенки центриолей состоят из 9 триплетов микротрубочек, лезвия которых расположены по окружности. Стенка полностью созревшей центриоли несет два набора придатков: subdistal придатки, которые необходимы для закрепления цитоскелетных микротрубочек и дистальные придатки, которые необходимы для закрепления на мембране во время цилиогенеза. Несколько маркеров придатков было идентифицировано, но большинство еще предстоит изучить относительно сборки и функции этих структур13,14. Проксимальная часть просвета про-центриолей обладает каркасной структурой, известной как cartwheel15 (Fig. 1Aa-1Ad), на котором микротрубочки добавляются, чтобы сформировать стенку центриоли. Сборка cartwheel представляет собой первую ступень в конструкции новой про-центриоли во время удвоения. У некоторых организмов cartwheels являются постоянным признаком центриолей, но в клетках человека, они действуют как временные каркасные структуры и разбираются по мере созревания про-центриоли при выходе из митоза. В центре cartwheel находится кольцеобразная ступица (hub), от которой отходят 9 спиц, чтобы соединиться с A трубочками из 9 триплетов микротрубочек. При взгляде со стороны cartwheel напоминает укладку колец, которые варьируют по высоте в зависимости вида и ст. клеточного цикла11,16-20 (Fig. 1Ab-1Ad). Структурные исследования и эксперименты по реконструкции в бесклеточной среде выявили, что каждое кольцо в cartwheel состоит из 9 гомо-димеров из spindle assembly abnormal protein 6 homologue (SAS6) белков. In vitro, SAS6 может олигомеризоваться в структуры, сильно напоминающие cartwheel hub, подтверждая, что SAS6 придают типичную nine-fold симетрию центриоли21-23. Однако, сборка стабильного cartwheels in vivo, по-видимому, нуждается в дополнительных белках и взаимодействиях со стенкой микротрубочек и/или предсуществующих центриолей24,25. Консервативный фактор дупликации центриролей SCL/TAL-interrupting locus protein (STIL) взаимодействием с SAS6 и играет центральную роль, помогая рекрутированию и/или сборке SAS626-32. У Chlamydomonas reinhardtii, формирование cartwheel нуждается в белке BLD10 (basal body protein)19,33, который взаимодействует с SAS6, чтобы облегчить подавляющее действие С-конца SAS6 на сборку cartwheel23. В клетках человека предполагаемый гомолог BLD10 centrosome-associated protein 135 (CEP135) также взаимодействует с SAS6 (Ref. 34), но большая чать CEP135 располагается на родительской центриоли, а не на про-центриоли35,36, подтверждая дополнительную роль этого белка в биогенезе центриоли и сборке PCM. Точная роль CEP135 в образовании cartwheel у позвоночных остается неясной и не идентифицировано гомолога BLD10 у Caenorhabditis elegans. Наконец, закладка микротрубочек на cartwheel сетко требует centrosomal P4.1-associated protein (CPAP; известен также как CENPJ)37-39.

    Figure 1: Centriole architecture and the centrosome duplication-segregation cycle.

    A | Structure of a centriole. Aa | Schematic showing fully mature parent centriole and a tightly associated procentriole. Prominent markers representative for the different sub-structures are indicated. Ab | Micrograph showing lattice of in vitro reconstituted cartwheel hub and spoke structures visualized by cryo-electron microscopy. Ac | Image derived from cryotomogram sections of a Chlamydomonas reinhardtii procentriole emphasizes cartwheel and triplet microtubules. Ad | Transmission electron microscopy showing a longitudinal section (top) and cross sections at proximal (lower left) and distal parts (lower right) of the Paramecium basal body. B | Shared pathways ensure coordination of centrosome duplication-segregation and chromosome replication-segregation cycles. At the G1/S transition, both centriole duplication and DNA replication depend on cyclin-dependent kinase 2 (CDK2) as well as phosphorylation of retinoblastoma protein and liberation of E2F transcription factors204. Similarly, overlapping sets of enzymes, including the kinases CDK1, polo-like kinase 1 (PLK1) and the protease separase govern entry into mitosis, chromosome segregation and licensing of DNA and centrioles for a new round of duplication. Finally, several proteins with well-established functions in DNA transactions have been implicated in the centrosome cycle, but indirect effects on centrosomes remain difficult to exclude205. Centrioles are depicted in different shades of grey to indicate different states of maturity. A procentriole (light grey) is a newly created centriole that is not yet duplication competent. A procentriole converts into an immature parent centriole (darker grey) following disengagement in mitosis. An immature parent centriole becomes a mature parent centriole (dark grey) following the acquisition of appendages. Appendage structures undergo a transient modification and disassembly during mitosis. CEP, centrosome-associated protein; CP110, centriolar coiled-coil protein of 110 kDa; PCM, pericentriolar material; SAS6, spindle assembly abnormal protein 6 homologue. Part Ab is adapted from Ref. 23, Macmillan Publishers Limited. Part Ac is reproduced with permission from Ref. 19, Elsevier. Images in part Ad courtesy of Anne-Marie Tassin.

    Centriole length control. Центриоли человека имеют длину в 450-500 nm и диаметр в 200-250 nm (Ref. 11). Размеры центриолей удивительно постоянны в большинстве клеток у данного организма, но иногда встречаются удивительные отклонения в специфических типах клеток40. В принципе размер органелл может контролироваться с помощью разных механизмов, включая молекулярные контролеры (rulers) или регуляцию кинетики сборки и разборки субъединиц41. Относительно длины центриолей полимеризация и деполимеризация центриолярных микротрубочек, скорее всего, является критической. Наиболее прямым доказательством этого служит демонстрация, что у Drosophila melanogaster kinesin-like protein at 10A (Klp10A) из подсемейства kinesin-13 действует как деполимераза микротрубочек, чтобы контролировать длину центриолей42. У млекопитающих kinesin-like protein 24 (KIF24), др. член подсемейства kinesin-13, сходным образом располагается на центриолях, но хотя KIF24 и необходим для сборки нормальных ресничек, он не влияет на длину центриолей43. Интересно, что Klp10A и KIF24 взаимодействуют с центросомным белком 110 kDa (CP110; известен также как CCP110), белком, как было установлено, установлено участвующим в контроле длины центриоли. Хотя точная функция CP110 может отличаться у разных видов44, у людей он покрывает дистальные кончики центриолей (Fig. 1Aa), а его истощение дает чрезвычайно длинные центриолярные микротрубочки36,45. Принимая во внимание, что удаление CP110 необходимо для удлинения центриолярных микротрубочек и для формирования аксонемы во время цилиогенеза43,45,46, неудивительно, что уровни CP110 регулируются с помощью множественных механизмов47-50.
    В согласии со структурными исследованиями, показавшими, что CPAP контролирует скорость роста микротрубочек во время сборки центриолей37-39, избыточная экспрессия CPAP или его партнеров по взаимодействию, CEP120 и spindle and centriole-associated protein 1 (SPICE1), запускают сборку чрезвычайно длинных центриолей45,51-54. Длина центриолей может быть также смодулирована с помощью нарушения регуляции белков, участвующих в строительстве дистальных половин центриолей, включая WD40 белок POC1 (proteome of centriole protein 1)55, центросомный белок POC5 (Ref. 56) или microtubule binding protein CEP295 (Refs 57,58). Интересно, что истощение CEP295 не только нарушает рекрутирование POC5 и POC1, но и также блокирует ацетилирование и глютамилирование центриолярных микротрубочек57. У позвоночных эти модификации тубулинов накапливаются на центриолях, а также в ресничках, а полиглютамилирование необходимо для долговременной стабильности центриолярных микротрубочек59. Необходимо исследовать, действительно ли энзимы, участвующие в пост-трансляционных модификациях микротрубочек, вносят вклад в контроль длины центриолей60.
    Pericentriolar material assembly. Центросомы человека представлены ~200-300 белками, большинство из которых обладает доменами в виде двойной спирали (coiled-coil)61,62. Однако, состав центросом непостоянен и некоторые компоненты PCM быстро обмениваются путем поставки микротрубочками, которые закреплены на центросоме63. Др. PCM белки собираются в центросомы посредством временного включения в чрезвычайно динамичные цитоплазматические гранулы, наз. центриолярными сателлитами13,64. Сателлиты участвуют в доставке белков для сборки центросом, а также в цилиогенезе и они быстро формируются и распадаются в ответ на разнообразные внутренние и внешние стимулы. Хотя многочисленные компоненты сателлитов были недавно идентифицированы, но центриолярные сателлиты, по-видимому, присутствуют не во всех типах клеток и их точная физиологическая роль остается до конца неизученной. Центросомы не окружены мембранами, поэтому возникает вопрос, как PCM собирается и как его границы определяются. Ранняя ЭМ привела к представлению о PCM как об аморфной структуре, но при микроскопии с супер-разрешением было установлено, что индивидуальные белки занимают самостоятельные радиальные слои внутри PCM35,65-67. Крупные PCM белки могут осуществлять само-сборку в структуры микронной шкалы путем мультимеризации68,69, и это мнение строго подтверждается недавней структурной работой по формированию поддерживающих структур PCM с помощью centrosomin (Cnn) у D. melanogaster70. Альтернативная модель базируется на роли разделения фаз в качестве управляющих сил для формирования органелл, лишенных мембран71,72. Недавняя работа была осуществлена на C. elegans spindle defective 5 (SPD-5), стержневом компоненте PCM и на предполагаемом функциональном гомологе D. melanogaster Cnn73. Рекомбинантный SPD-5,как было установлено, собирается in vitro в сферические конденсаты, которые концентрируют tubulin и др. белки, необходимые для полимеризации и стабилизации микротрубочек74. В будущем было бы интересно определить степень, с которой in vivo происходит сборка PCM посредством перехода от жидкой к фазе конденсата, т.к. противоположные высокого сродства и хорошо упорядоченные взаимодействия между комплементарными поверхностями на крупных белках. Два механизма, не обязательно взаимоисключающие, объясняют как PCM может формироваться с помощью инициальной фазы сепарации, которая концентрирует компоненты, которые впоследствии затвердевают в гель-подобные или твердые структуры с упорядоченными меж-белковыми взаимодействиями.

    Control of centriole number


    Подобно репликации ДНК, удвоение центриоли - и как результат, центросомы - тонко регулируется, чтобы обеспечить удвоение лишь однажды на каждый клеточный цикл (контроль клеточного цикла) и при этом образуется лишь одна новая центриоль на каждую пред-существующую (контроль количества копий)75. Более того, удвоение и сегрегация центросом д. быть скоординированы с циклом удвоения-сегрегации хромосом и эти процессы регулируются одновременно (Fig. 1B). Сначала мы опишем процесс, который происходит приблизительно во время митоза, чтобы обеспечить про-центриоли компетентностью к удвоению и сделать возможной редупликацию родительских центриолей (Fig. 2a). Затем мы суммируем выдающ9иеся свойства, которые поддерживают биогенез новых про-центриолоей при G1/S переходе (Fig. 2b). В-третьих, мы обсудим финальные ступени , в результате которых полностью созревают обе центриоли и центросомы при G2/M переходе (Fig. 2c).

    Figure 2: Key aspects of the centrosome duplication cycle.

    a | Four major events (see numbered steps) during the progression from late G2 through M and into early G1 that are considered necessary to license a new round of centriole duplication. Although these events are conceptually distinct, they are expected to be integrated at a molecular and structural level. b | The birth of a new centriole. The master regulator of procentriole formation polo-like kinase 4 (PLK4) is initially recruited to a ring of centrosomal protein of 152 kDa (CEP152) and CEP192 at the proximal end of the parent centriole. According to one model (top), a symmetry-breaking event leads to the accumulation of active PLK4 at a single, dot-like spot. A putative mechanism underlying symmetry breaking is shown in the inset. An alternative model (bottom) attributes an important role to the lumen of the parent centriole in serving as a mould and assisting spindle assembly abnormal protein 6 homologue (SAS6) self-assembly into a cartwheel structure. PLK4 and SCL-interrupting locus protein (STIL) would subsequently cooperate to release the mould and allow its repositioning laterally on the parent centriole. c | A G2 cell typically comprises two centrosomes, each harbouring a pair of centrioles that are connected by a loose tether. Before mitotic entry, this tether is removed by a shift in the balance of activities of the protein kinase NEK2 and the phosphatase PP1 acting on centrosome-associated protein CEP250 and other substrates117,118,206. In G2, only one parent centriole is fully mature (that is, carries appendages); the second parent centriole acquires appendages during G2 and/or M phase in a process triggered by PLK1 (Ref. 120) (step 2). On mitotic entry, the two centrosomes are separated by kinesin-like protein KIF11 and the partially redundant KIF15 (Ref. 207), with KIF11 being recruited to centrosomes in response to cyclin-dependent kinase 1 (CDK1) phosphorylation208. Finally, mitotic spindle formation requires expansion of the pericentriolar material (PCM; centrosome maturation). APC/C, anaphase-promoting complex/cyclosome; ?TrCP, ?-transducin repeats-containing proteins; CP110, centriolar coiled-coil protein of 110 kDa; CPAP, centrosomal P4.1-associated protein; PPase, unknown phosphatase; SCF, SKP1-CUL1-F-box protein.

    Licensing centrioles for a new round of duplication. Подобно репликации ДНК, которая зависит от выдачи разрешения на репликацию ДНК, центриоли лишь приобретают компетентность к удвоению только после того, как завершает митоз. В молекулярных терминах лицензирование центриолей ,как было установлено, зависит от двух основных процессов: освобождения центриоли, которое позволяет редупликацию родительской центриоли, и превращение центриоли в центросому, которое необходимо для приобретения компетентности к удвоению.
    Центриольное cцепление, тесная, почти ортогональная связь между каждой родительской центриолью и её про-центриолей , как известно, блокирует редупликацию родительской центриоли76-78. Polo-like kinase 1 (PLK1) и protease separase участвуют в обеспечении устранения этих плотных соединений, процесс, наз. высвобождением, способствующим поиску субстратов для этих энзимов77 (Fig. 2a). Поскольку субстратом для separase, скорее всего, является компонент PCM pericentrin (PCNT), который высвобождается из центросомы вследствие отщепления с помощью separase в конце митоза79,80. Более того, отщепление PCNT положительно регулируется с помощью PLK1 (Ref. 81), а экспрессия неспособного к отщеплению мутантного PCNT подавляет высвобождение центриоли79,80. Ассоциированный с центриолью cohesin также описан как субстрат для separase82. Однако, отщепление cohesin не является достаточным для высвобождения центриоли у эмбрионов D. melanogaster ; поэтому необходимы дальнейшие эксперименты для выяснения роли cohesin в закреплении центриоли83.
    Ранние ЭМ исследования установили, что потеря ортогональной ориентации между родительской центриолью и про-центриолью происходит в конце M/начале G1 (Ref. 84). Сравнительно недавно, correlative live и ЭМ показали, что активность PLK1 управляет расположением на определенном расстоянии про-центриоли во время ранней профазы, тем самым обеспечивается родительская центриоль компетентностью к редупликации, даже если про-центриоль остается ортогонально расположенной к родительской центриоли85 (Fig. 2a). PCM, скорее всего, поддерживает тесную ассоциацию пары центриолей во время митоза, при этом действие separase вносит вклад в ремоделирование PCM, а потеря этой ортогональной ориентации происходит при выходе из митоза. Хотя активность PLK1 существенна для обеспечения компетентности к редупликации, separase, скорее всего, выполняет поддерживающую роль, гарантируя, что высвобождение произойдет вскоре после выхода их митоза77. Наконец, удаление cartwheel из про-центриоли обеспечивается cyclin-dependent kinase 1 (CDK1)86 и , как было установлено, является важным для блокировки редупликации родительской центриоли87 (Fig. 2a).
    Для про-центриолей компетентность к дупликации дополнительно нуждается в овладении PCM, процессе, наз. превращением центриоли в центросому88,89, которое также выполняется с помощью CDK1 и PLK1 (Refs 90,91) (Fig. 2a). Этот процесс лучше всего описан у D. melanogaster, где Plk1 первой поставляется на Sas4 (гомолог CPAP у мух) посредством cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1)-зависимого фосфорилирования одиночного места прикрепления (docking)91. В клетках млекопитающих и D. melanogaster ассоциированная с центросомой PLK1 запускает последовательную сборку CEP135, anastral spindle 1 (Ana1; ортолог CEP295) и asterless (Asl; ортолог CEP152), сопровождаемую образованием нижестоящего PCM58,88,89. Важно, что у D. melanogaster, эмбриональная поставка Asl происходит только после высвобождения, демонстрируя, что эти лицензирующие процессы происходят последовательно92. В клетках млекопитающих CEP295 прямо соединяется с CEP192 и вносит вклад в стабилизацию центриолей после потери cartwheel после выхода из митоза88,93. Принимая во внимание, что CEP152 и CEP192 образуют каркас для рекрутирования PLK4 (Refs 94-98), киназы, важной для удвоения центриолей (see below), эти результаты объясняют, почему сборка PCM после митоза необходима, чтобы обеспечить компетентность к дупликации у про-центромер90. Хотя C. elegans лишены очевидного гомолога CEP295, spindle assembly abnormal (SAS-7) может действовать аналогично CEP295 у этого организма, т.к. он взаимодействует с C. elegans CEP192 ортологом spindle defective 2 (SPD-2) и необходим про-центриолям для приобретения компетентности к удвоениям 99.
    The birth of a new centriole. Поскольку связанные с клеточным циклом механизмы лицензирования центриолей гарантируют, что произойдет удвоение центриолей только один раз на клеточный цикл, остается понять, как клетка ограничивает построение про-центриоли одной на уже существующей родительской центриоли. В то время как PLK1 выполняет ключевую роль в контроле зависимого от клеточного цикла удвоения центриоли, PLK4 выполняет центральную роль как контролер количества копий100,101. Как показывают морфологические исследования переход G1/S одиночная про-центриоль начинает собираться перпендикулярно родительской центриоли и эта вновь формируемая про-центриоль затем остается в тесной связи со своей родительской центриолью, при этом она удлиняется в ходе G2 (Figs 1,2b). В соответствии с центральной ролью в контроле биогенеза центриолей, уровни и активность PLK4 тонко регулируется. PLK4 существует в качестве гомодимера, а низкие устойчивые уровни возникают благодаря транс-аутофосфорилированию PLK4 внутри димера, это запускает SCF-βTrCP-обеспечиваемую протеолитическую деградацию102-106. После соединения с STIL, PLK4 подвергается конформационным изменениям и активируется посредством транс-аутофосфорилирования внутри активационного сегмента28,107,108. Активированная PLK4 затем фосфорилирует STIL внутри т. наз. STAN мотива, запуская поставку на центриоли SAS6 и формирование cartwheel26-29 (Fig. 2b). Однако, у C. elegans, рекрутирование SAS-5-SAS-6 комплекса, как было установлено, нуждается в непосредственном взаимодействии с PLK4-родственной киназой zygote defective: embryonic lethal (ZYG-1), независимо от её каталитической активности109. Дальнейшие нижестоящие события в биогенезе центриолей остаются полностью неизвестными, но имеются доказательства, что CEP135 служит для соединения SAS-6 с CPAP и наружной частью микротрубочек их микротубулярных триплетов34. Во время элонгации центриолей, CPAP затем регулирует рост центриолярных микротрубочек37-39,52, которые вставляют ниже шапочки CP110 (Ref. 36). Интересно, что CPAP также взаимодействие с STIL и поэтому важно узнать, как CPAP и STIL модулируют активности др. др.32,110-112.
    Одним из главных вопросов, который предстоит решить, как выбирается место конструкции новой про-центриоли в окружении родительской центриоли (Fig. 2b). В клетках млекопитающих PLK4 доставляется на центриоли посредством соединения с двумя разными каркасными белками, CEP152 и CEP192 (Refs 94-98). Микроскопия с сверхразрешением показала, что CEP152 и CEP192 образуют кольца вокруг родительской центриоли и соотв. PLK4 также можно видеть в формируемых кольцах в G1 фазе. Однако, PLK4, STIL и SAS6 затем соединяются, чтобы сформировать точный регион на окружности родительской центриоли (точку на CEP152-CEP195 кольце), это маркирует место сборки про-центриоли26,35,96. A priori, не существует структурного ограничения, накладываемого на формирование одиночной про-центриоли вокруг окружности родительского цилиндра, как показывает почти одновременное образование множественных про-центриолей во многих местах в ответ на избыточную экспрессию PLK4 (Refs 36,100). Итак, что за механизмы обеспечивают контроль за количеством копий? Одна из правдоподобных точек зрения связана с событием нарушения симметрии, что приводит к стохастическому выбору места построения и супрессии всех остальных потенциальных мест (Fig. 2b). В одной привлекательной модели STIL, как полагают, стабилизирует PLK4 в месте сборки центриоли, позволяя оставшимся PLK4 внутри кольца последовать на само-катализируемую деградацию26,108. Такой процесс д. контролироваться с помощью активности PLK4 киназы и противодействующих phosphatases и, по-видимому, д. использовать множественные петли обратной связи, как это предполагается при теоретическом моделировании роли GTPases для нарушения симметрии во время поляризации дрожжевых клеток113. Если это так, то эта модель нарушения симметрии вызывает проблемы в понимании, как PLK4 регулируется во времени и пространстве.
    Согласно альтернативной модели, просвет родительской центриоли действует как шаблон для сборки cartwheel, который впоследствие высвобождается и используется для управления образованием про-центриоли114 (Fig. 2b). В этом случае, будущие исследования д. объяснить, как клетки накладывают ограничение на использование шаблона только раз на центриоль и клеточный цикл, и как cartwheel переносится из просвета на стенку родительской центриоли.
    В целом важно лучше понять, когда и где разные комплексы, использующие при дупликации центриоли факторы PLK4, STIL и SAS6, формируются и стабилизируются115. Др. привлекательная область исследований связана с ролью фосфатаз в пространственно-временном контроле удвоения центриолей116.
    Maturation of centrioles and centrosomes. В пролиферирующих клетках человека и центриоли и центросомы подвергаются финальному созреванию во время G2 и M фаз (Fig. 2c). В поздней фазе G2, каждая из двух дуплицированных центросом представлена одной родительской центриолей, ассоциированной с PCM и одной про-центриолей, лишенной способности рекрутировать PCM. Две родительские центриоли соединены с помощью привязи, содержащей rootletin и др. белки, прикрепленные к CNAP1 (Refs 117,118). Одновременно каждая про-центриоль тесно ассоциирована с проксимальным концом родительского цилиндра посредством связи, которую ещё предстоит охарактеризовать119. Важно, что только одна из двух родительских центриолей полностью зрелая и компетентна функционировать в качестве базального тельца для цилиогенеза, свойство демонстрируемое присутствием субдистальных и дистальных придатков. Приобретение придатков более молодой родительской центриолей нуждается в PLK1 (Ref. 120). Конечно, в ходе митоза происходят временные модификации и/или разборка структур придатков (Figs 1B,2c).
    На ст. перехода G2/M, PCM существенно увеличивается в ходе подготовки к формированию митотического веретена (Fig. 2c). Этот процесс, наз. созреванием центросомы5, как известно, управляется с помощью PLK1 (Refs 121,122), вклад Aurora A также хорошо известен123. Недавняя работа, проведенная в основном на эмбрионах D. melanogaster and C. elegans предоставила дополнительную информацию о механизмах, лежащих в основе расширения PCM3. Возникло мнение, что PLK1 запускает упорядоченную сборку инициального набора стержневых каркасных белков, которые впоследствие рекрутируют др. компоненты PCM. У D. melanogaster, этими стержневыми белками являются Asl, Cnn и defective spindle 2 (DSpd-2), соответствующие CEP152, CDK5RAP2 (известен также как CEP215) и CEP192, соотв., в клетках млекопитающих69. Согласно одной модели фосфорилирование Cnn с помощью Plk1 способствует непрерывному рекрутированию Cnn в окружение центриоли, откуда Cnn каркас затем постепенно распространяется кнаружи. Одним из привлекательных свойств этой модели является то, что активность Plk1 может быть использована для контроля величины инкорпорации Cnn в PCM, предлагая правдоподобный механизм для калибровки размера PCM, ассоциированного с центросомой во время митоза3. Однако, пока неясно, как согласуется эта flux модель с данными, полученными на C. elegans, где инкорпорация SPD-5 в PCM, как было установлено, происходит во всех направлениях по всему PCM124.

    Sensing centriole number


    Хотя количество центриолей обычно четко поддерживается от 2-х до 4-х на клетку в ходе клеточного цикла, однако, известно несколько примеров, где количество центриолей изменяется как часть нормальной программы развития. Одним из удивительных примеров являются эпителиальные клетки со множеством ресничек, которые выстилают воздушные пути, желудочки и яйцеводы у позвоночных. Эти специализированные клетки формируют соьни центриолей, которые служат в качестве базальных телец для образования многих ресничек125. Однако, аберрации количества центриолей не сохраняются в делящихся клетках и не могут вносить вклад в патологию. Механизмы, с помощью которых клетки контролируют количества центриолей, только начинают обнаруживаться.
    Centriole loss and the mitotic surveillance pathway. Поскольку центросомы являются основным источником микротрубочек веретена во время митозов, то очевидно, что хроматин и микротрубочками-обеспечиваемые пути нуклеации м. поддерживать сборку веретена в отсутствие центросом63. Удивительный пример dispensability центросом для клеточного деления представляют планарии, где клеточные деления и регенерация происходят в отсутствие центросом, а центриоли собираются только у окончательно дифференцированных клеток со многими ресничками, что позволяет использовать реснички для локомоции126. У D. melanogaster, центросомы необходимы во время быстрых, синцитиальных клеточных делений на ранних ст. эмбриогенеза, но несущественны после этого127. Важно, что мухи, лишенные центриолей на поздних ст. развития дорастают до нормальных размеров и морфологически выглядят нормально, но погибают вскоре после вылупления из-за отсутствия сенсорных ресничек. Эти примеры подтверждают, что первоначальная роль центриолей заключалась в управлении образования ресничек и жгутиков и что их ассоциация с полюсами митотического веретена действует, чтобы гарантировать равное расхождение в дочерние клетки128.
    Хотя клеточные деления могут происходить в отсутствие центросом при некоторых условиях129-131, центросомы обычно необходимы для устойчивой пролиферации клеток млекопитающих. Эмбрионы мышей, лишенные центриолей, подвергаются широко распространенному зависимому от p53 апоптозу на более ранних ст. развития, чем мутанты, лишенные ресничек132. В культивируемых клетках млекопитающих потеря центросом приводи к мощному аресту клеточного цикла в течение нескольких делений133,134. Этот арест может быть преодолен путем удаления p53, это объясняет, почему раковые клетки часто не способны реагировать на потерю центросом. В противоположность планариям и мухам клетки млекопитающих обладают механизмами воспринимать потерю центросом и прекращают их продолжающуюся клеточную пролиферацию в отсутствие центросом.
    Открытие, как истощение центросом может активировать p53-зависимые пути, получено в исследованиях нокаутных геномов, которые привели к идентификации сигнальной оси USP28-53BP1-p53-p21 (USP28, ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase 28; 53BP1, TP53 binding protein 1; p21, известен также как CDKN1A) относятся к пути надзора за митозами135-137. Делеция любого компонента этого пути делает возможной непрерывную пролиферацию клеток в отсутствие центросом. При исполнении свой функции 53BP1 взаимодействует с p53 и является кардинальным регулятором репарации разрывов двойной нити ДНК, а USP28 является deubiquitinase, которая взаимодействует с 53BP1 и выполняет незначительную функцию в сигнальной реакции на повреждения ДНК138-140. Очевидно, что роль 53BP1 в реакции на потерю центросом отличается от установленной её ролью в репарации ДНК135-137,141. Необходимо выяснить, как путь надзора за митозами участвует в контроле за числом центросом, предполагается, что в ответ на потерю центросом, 53BP1 соединяется с USP28 и p53, чтобы облегчить зависимое от USP28- деубиквитинирование и активацию p53, приводя к аресту клеточного цикла или гибели клеток136,141 (Fig. 3).

    Figure 3: Responding to centrosome defects.

    Pathways activated by centrosome loss (bottom) and centrosome amplification (top). Centrosome loss leads to P53-binding protein 1 (53BP1) and ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase 28 (USP28)-dependent stabilization of p53. Active p53 promotes either cell death or cell cycle arrest132,135,136,137. An increased duration of mitosis (mitotic delay) also activates p53 through the same pathway, suggesting that centrosome loss is sensed via a mitotic delay. This failsafe mechanism has been termed the mitotic surveillance pathway145. Centrosome amplification leads to hyperactivation of RAC1 and a corresponding decline in RHOA. Downregulation of RHOA results in activation of Hippo serine/threonine-protein kinase LATS2. LATS2 then inhibits E3 ubiquitin-protein ligase MDM2 that targets p53 for degradation, thereby resulting in p53 stabilization and cell death or cell cycle arrest. In addition, LATS2 phosphorylates and inactivates the transcriptional coactivator YAP1 to inhibit proliferation147. In an alternative pathway, supernumerary centrosomes promote activation of the PIDDosome, which leads to activation of caspase 2 (Ref. 148). Active caspase 2 cleaves MDM2 and thereby stabilizes p53 (Ref. 209).

    Ни один из компонентов пути надзора за митозами не обнаруживает четкой локализации на центросомах, делая маловероятным, что они непосредственно отслеживают количества центросом. Как тогда обнаруживается потеря центросом? В отсутствие центросом сборка веретена оказывается менее эффективной и время клеточных делений существенно увеличивается134-137. Удивительно, увеличение продолжительности митозов за пределы специфического порога вызывает долговременный TP53-зависимый G1 арест в эпителиальных клетках человека142. Это открывает возможность, что потеря центросом запускает арест клеточного цикла путем задержки митозов (Fig. 3). В соответствии с этим мнением, все компоненты пути надзора за митозами, оказываются необходимыми для ареста клеточного цикла вследствие удлинения митоза135-137. Более того, активация p53 у эмбрионов мышей с отсутствием центриолей ассоциирует с увеличением продолжительности митозов132. Дополнительные доказательства получены в результате идентификации E3 ubiquitin-protein ligase TRIM37 как главной при геномном скрининге нокаутов, у которых становилась возможной пролиферация без центросом136,137. Т.к. TRIM37 необходима для ареста клеточного цикла после потери центросом, она не нужна для предупреждения клеточной пролиферации после задержки митозов. Потеря TRIM37 делает возможным формирование центров, организующих вне-центросомные микротрубочки, которые ускоряют сборку веретена в клетках с отсутствием центросом. Делеция TRIM37 может т. о., обходить арест, вызываемый потерей центросом, путем снижения продолжительности митозов в клетках без центросом137.
    Неожиданно, USP28 нокаутные мыши оказались жизнеспособными и не обнаруживали ясных фенотипических отклонений, указывая тем самым, что при не вызывающих возражений условиях активация пути надзора за митозами является редким событием143,144. Несмотря на это, существуют доказательства, что активация пути надзора за митозами лежит в основе дефектов роста, наблюдаемых при аутосомно рецессивной primary microcephaly (MCPH) (see below). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить клеточно-специфичные и ткане-специфичные различия в передаче сигналов посредством пути надзора за митозами, а также влияние активации этого пути на нормальную физиологии и при болезни145.
    Suppression of cell proliferation following centrosome amplification. Подобно потере центросом, увеличение количества центросом (centrosome amplification) также подавляет пролиферацию клеток в культуре106,146. Этот дефект может быть преодолен путем удаления p53, но он не зависит от USP28 и 53BP1 (Ref. 135), подтверждая, что разные пути активируют p53 в ответ на увеличение или уменьшение количества центросом. Первоначально было установлено, что тетраплоидные клетки, содержащие вдвое больше, чем в норме центросом, стабилизируют p53 посредством Hippo пути serine/threonine-protein kinase LATS2 (Ref. 147) (Fig. 3). Индукция добавочных центросом с помощью альтернативного способа также приводит к LATS2-зависимой стабилизации p53, подтверждая, что добавочные центросомы, по крайней мере, частично отвечают за активацию LATS2.
    Недавно обнаружен дополнительный путь, контролируемый с помощью PIDDosome, важный для предупреждения пролиферации клеток с избыточными центросомами148. PIDDosome контролируют proximity-индуцируемую активацию caspase 2 (Ref. 149) и необходимы для стабилизации p53 после неспособности к цитокинезу (Fig. 3). Важно, что некоторые компоненты PIDDosome располагаются на более старой родительской центриоли, показывая, что активация PIDDosome может контролироваться присутствием дополнительных зрелых центриолей148. В соответствии с этой идеей, истощение в придатках outer dense fibre protein 2 (ODF2) снижает активацию caspase 2 и стабилизацию p53 в тетраплоидных клетках с избыточным количеством центросом148. Остается неясным, как может быть выявлен избыток зрелых родительских центриолей и, в свою очередь, как они будут способствовать активации PIDDosome. Было бы интересно проверить, действительно ли управление преждевременным созреванием молодых родительских центриолей с постоянно активной PLK1 может способствовать активации PIDDosome в отсутствие амплификации центриолей120.
    В отличие от потери p53, нокаут LATS2 или caspase 2 делает невозможной непрерывную пролиферацию клеток с добавочными центросомами135,148. Следовательно, скорее всего, что дополнительные пути, участвуют в активации p53 в ответ на умножение центросом. Поскольку многие опухолевые клетки обладают дополнительными центросомами (see below), то подавление ингибирующего эффекта добавочных центросом на пролиферацию клеток, по-видимому, является ключевой ступенью, позволяющей клеткам с избыточными центросомами, приобретать необходимые онкогенные мутации, требуемые для развития опухоли.

    Centrosome defects and cancer


    Дефекты центросом присутствуют в широком круге солидных и гематопоэтических опухолей у человека, а при некоторых типах опухолей аномалии центросом наблюдаются рано при развитии болезни и коррелируют со степенью развития опухоли и плохим клиническим исходом10,150. Аномалии центросом могут быть подразделены на числовые и структурные альтерации150. Поскольку структурные альтерации , скорее всего, происходят из-за альтераций в уровнях или активности центросомных белков151, численные альтерации отражают увеличение числа копий центросом и возникают благодаря приобретению избыточного количества центриолей. Хотя оба типа аномалий концептуально различны, они часто сосуществуют в опухолях.
    The role of supernumerary centrosomes in tumorigenesis. Чтобы определить роль избыточных центросом при раке, многие исследования использовали избыточную экспрессию PLK4, чтобы увеличить количества центросом. Исследование на мухах показало, что поскольку амплификация центросом не способствует спонтанному возникновению опухолей, но нейробласты и эпителиальные клетки с добавочными центросомами, могут инициировать туморогенез, когда они трансплантируются мухам хозяевам152,153. Однако, как амплификация центросом влияет на развитие опухолей у млекопитающих, процесс сложный.
    В головном мозге мышей избыточные центросомы не способствуют туморогенезу154. Сходным образом, амплификация центросом в эпидермисе приводила к нарушениям ориентации веретена и анеуплоидии, но эти аномалии были неспособны инициировать спонтанный туморогенез или повысить шансы индукции канцерогенами опухолей кожи155. Напротив, амплификация центросом ускоряет туморогенгез в дефицитном по p53 эпидермисе156. Более того, глобальная избыточная экспрессия PLK4 также ускоряет начало лимфом и сарком у p53-нулевых мышей и способствует гипер-пролиферации в коже и поджелудочной железе157. Итак. установлена центральная роль p53 в ограничении непрерывной пролиферации клеток с амплификацией центросом у млекопитающих106.
    Т.к. при первоначальных исследованиях не наблюдали развития спонтанных опухолей у животных с широко распространенной избыточной экспрессией PLK4155,157,158, более скромное увеличение уровней iPLK4, как было установлено, способствует сохранению амплификации центросом и способствует развитию спонтанных опухолей146. Важно, что эти опухоли обнаруживают драматические численные и структурные аномалии хромосом, отражающие сложные изменения кариотипа, часто наблюдаемые в опухолях людей с из избыточными центросомами146. Некоторые нарушения пути p53 ожидаются в опухолях, которые формируются спонтанно в ответ на амплификацию центросом. Соотв., спонтанные лимфомы, которые развиваются у мышей с амплификацией центросом, обнаруживают подавление генов мишеней для p53146. Т.о., амплификация центросом безусловно способствует развитию опухолей, но точные механизмы этого остаются неясными.
    The origin of centrosome defects in tumour cells. Линии раковых клеток обнаруживают широкую изменчивость в пенетрантности и степени амплификации центросом. Обратимое истощение центросом с использованием киназного ингибитора для PLK4 продемонстрировало, что линии опухолевых клеток достигают равновесия в распределении количества центросом, это предопределяется скоростью, с которой избыточные центросмы накапливаются, и скоростью, с которой клетки, обладающие ими, снова выбираются133. Один путь, приводящий к накоплению избыточных центросом, это нарушение регуляции цикла удвоения центриолей. В то время как гены, кодирующие центросомные белки, редко мутируют в раковых опухолях людей, увеличение или уменьшение экспрессии центросомных белков широко распространены1,10,150 (Table 2). Кроме того, пертурбации в ходе клеточного цикла могут приводить к дефектами биогенеза центриолей. Напр., при продолжительном аресте в G2 фазе, это приводит к активации PLK1, высвобождению центриолей и к преждевременно редупликации центриолей159. Соотв., повреждения ДНК могут индуцировать амплификацию центросом путем увеличения времени, которое проводят клетки в G2 фазе160,161. Финальным путем генерации добавочных центросом является неспособность к клеточным делениям. В дополнение к удвоению центросом неудачные деления предоставляют помощь в удвоении генома, чтобы погасить вредные мутации или ошибки в расхождении хромосом. Эти свойства позволяют тетраплоидным клеткам выбирать новые кариотипы, приводящие в конечном итоге к редким комбинациям, которые предоставляют преимущества в росте162. В соответствии со свойствами, способствующими туморогенезу, подтверждено, что тетраплоидные клетки служат промежуточным звеном для большой фракции опухолей человека 163. Хотя неконтролируемая пролиферация тетраплоидных клеток может управлять туморогенезом164, добавочные центросомы в тетраплоидных клетках первоначально запускают p53-зависимый арест клеточного цикла147 (Fig. 3). Как следствие, повторные неудачи цитокинеза не приводят к долговременной амплификации центросом в культуре клеток165. Это подтверждает, что дальнейшие генетические альтерации, такие как потеря LATS2, caspase 2 или p53, необходимы, чтобы обойти эти нарушения приспособленности и генерировать долговременное увеличение количества центросом вследствие нарушений цитокинеза. Интересно, было бы протестировать, действительно ли дефицит LATS2 или компонентов PIDDosome может ускорять развитие опухолей, управляя амплификацией центросом.

    Table 2: : Proteins involved in centriole number control, their functions and links to disease

    Нарушения регуляции онкогенов или генов опухолевых супрессоров, как было установлено, приводят к формированию дополнительных центросом. Напр., KLF14 является репрессором транскрипции PLK4, а нокаут KLF14 приводит к PLK4-индуцированной амплификации центросом и образованию опухолей у мышей166. Экспрессия PLK4 также репрессируется с помощью опухолевого супрессора p53157,167. Несмотря на это, нокаут p53 недостаточен, чтобы индуцировать амплификацию центросом в линиях клеток человека и в тканях мышей134,135,146,154,155,157. Вряд ли он непосредственно участвует в контроле числа центросом, как это первоначально предполагалось168, потеря p53, скорее всего, предлагает подходящие условия для продолжения пролиферации клеток с аномалиями центросом, т.к. она позволяет клеткам обходить пути надзора за количеством центросом106,155-157 (Fig. 3).
    Consequences of centrosome defects. Независимо от того как это возникает добавочные центросомы способны к нуклеации микротрубочек, это может приводить к образованию мульти-полярных митотических веретен. Не будучи откорректированным, это приводит мульти-полярным делениям, вызывающими существенное неправильное расхождение хромосом и нежизнеспособное потомство 169 (Fig. 4a). Первичный механизм, с помощью которого опухолевые клетки супрессируют мульти-полярные деления, осуществляется посредством объединения хромосом в две группы, чтобы сформировать псевдо-биполярное веретено170. Эффективность процесса образования кластеров, скорее всего, важный параметр в предопределении способности клетки противостоять амплификации центросом171,172. Важно, однако, что образование центросомных кластеров повышает частоту неправильных, merotelic прикреплений хромосом к митотическому веретену, которое приводит к низкому количеству ошибок расхождения хромосом152,169,173, в то же самое время приводя к потере или избытку генетического материала (Fig. 4a), это может объяснить тесную корреляцию амплификации центросом и анеуплоидии в раковых опухолях человека 10,150.

    Figure 4: Mechanisms through which centrosome amplification can contribute to tumorigenesis.

    a | Genome instability. Cells with supernumerary centrosomes form multipolar mitotic spindles. Multipolar divisions lead to the production of highly aneuploid daughter cells that are typically non-viable. To avoid multipolar divisions, cells cluster their centrosomes before anaphase. Centrosome clustering enriches for incorrect merotelic attachments of chromosomes to the mitotic spindle, resulting in chromosome segregation errors (aneuploidy)152,169,173. In addition to creating whole chromosome aneuploidy, mitotic errors caused by extra centrosomes can promote the acquisition of DNA double-strand breaks that result in chromosomal rearrangements178,179,180. b | Defective asymmetric divisions. Drosophila melanogaster neuroblasts undergo asymmetric cell division to self-renew and produce a differentiated ganglion mother cell (GMC). Centrosome amplification can lead to a failure to correctly align the spindle, resulting in the equal partitioning of cell fate determinants into the daughter cells. This leads to an expansion of the stem cell pool and tissue overgrowth152. Of note, centrosome amplification does not seem to produce similar spindle orientation defects in mouse neuronal progenitors. Instead, extra centrosomes promote multipolar divisions and apoptosis, leading to the depletion of progenitor cells154. These findings indicate that the effects of centrosome amplification are likely to be species and/or cell-type specific. c | Invasive behaviour. Increased microtubule nucleation resulting from the presence of increased number of centrosomes has been shown to induce RAC1 hyperactivation that drives invasive behaviour183. d | Reduced ciliary signalling. Signalling by primary cilia can be disrupted in response to centrosome amplification by either dilution of cilia signalling components owing to their distribution into multiple cilia or a failure to form cilia157,184.

    Дополнительным источником митотических ошибок является неправильное время разделения центросом перед делением клеток. И ускорение и задержка разделения центросом повышают частоту неправильного распределения хромосом, приводящие к ошибками сегрегации хромосом174-177. Было бы интересно исследовать, действительно ли численные и структурные альтерации центросом могут вносить вклад в дефекты времени разделения центросом.
    Вместе со всей хромосомной анеуплоидией, митотические ошибки, управляющие сверхчисленными центросомами, также приводят к образованию разрывов двойной нити ДНК, которые приводят к хромосомным перестройкам. Добавочные центросомы увеличивают частоту хромосом, которые остаются в средине веретена во время анафазы и эти хромосомы могут быть повреждены сужающейся бороздой деления во время цитокинеза178. Более того, задержанные хромосомы часто оказываются заключенными в микроядра, которые накапливаются на высоких уровнях с поврежденной ДНК, которые способствуют перестройкам хромосом179,180. Сверхчисленные центросомы может облегчать эволюцию кариотипа, действуя как источник численных и структурных альтераций хромосом.
    Т.к. амплификация центросом предоставляет собой источник генетической нестабильности, то добавочные центросомы могут также вносить вклад в туморогенез посредством дополнительных механизмов. У D. melanogaster, нейробласты или эпителиальные клетки с добавочными центросомами способны инициировать туморогенез, если трансплантируются мухам-хозяевам152,153. Т.к. анеуплоидия обнаруживается в трансплантированных эпителиальных клетках с добавочными центросомами, то добавочные центросомы вызывают лишь умеренное увеличение анеуплоидии в трансплантированных нейробластах, подтверждая, что геномная нестабильность вряд ли вызывает неконтролируемую добавочными центросомами обнаруживают дефекты в расположении веретена, приводя в результате к увеличению симметричных над асимметричными клеточными делениями 152 (Fig. 4b). Это нарушение асимметричных делений, как полагают, приводит к амплификации пула нейробластных стволовых клеток и е последующему избыточному росту ткани181. Проверка, действительно ли дефекты асимметричности клеточных делений вносят вклад в туморогенез у позвоночных - область будущих исследований.
    В дополнение к нарушениям клеточных делений численные и структурные аберрации центросом могут также изменять архитектуру интерфазного скелета микротрубочек151,182. Амплификация центросом также способствует формированию инвазивных выпячиваний в не-трансформированных клетках молочных желез при росте в трехмерной культуральной системе183. Важно, что такое инвазивное поведение не вызывается анеуплоидией. Вместо этого клетки с добавочными центросомами обладают повышенной нуклеацией микротрубочек, которая активируется малой GTPase RAC1 (Fig. 4c). Это предлагает возможное объяснение связи амплификации центросом со степенью прогрессирования опухолей. Необходимы исследования, чтобы определить влияние аберраций центросом на инвазию и метастазирование клеток in vivo
    Помимо своей роли в центросомах центриоли также служат в качестве базальных телец, необходимых для формирования первичных ресничек. В культивируемых клетках человека вызываемая с помощью PLK4 амплификация центриолей часто приводит к формированию более одной первичной реснички184. Неожиданно клетки с дополнительными ресничками обнаруживают пониженные уровни передачи ресничками сигнальных молекул и нарушения активации пути, регулирующего реснички, Sonic Hedgehog. Напротив, мышиный эпидермис и первичные кератоциты с избыточной экспрессией PLK4 приводят к амплификации центриолей и образованию немногих первичных ресничек157. Амплификация центриолей может, следовательно, нарушаться ресничками, благодаря или разбавлению передачи сигналов ресничками или благодаря потере ресничек (Fig. 4d). Поскольку нарушения регуляции путей передачи сигналов, регулируемых ресничками из вносят вклад в туморогенез, добавочные центриоли могут нарушать пролиферацию клеток, нарушая нормальную передачу сигналов ресничками185,186.

    Centrosome anomalies and microcephaly


    MCPH является тяжелым пороком развития, вызываемым снижением пролиферации нейронов во время эмбрионального развития и характеризуется небольшими размерами головного мозга и умственной отсталостью. Любопытно, но главной генетической причиной MCPH являются мутации широко экспрессирующихся генов, кодирующих белки, функционирующие центросомы. Сегодня известны 12 генов, кодирующих белки, расположенные в центросомах, которые вызывают MCPH, и, по крайней мере, 8 из них, как известно, участвуют в удвоении центриолей187-189 (Table 2). Это подтверждает, что дефекты биогенеза центриолей являются причиной дефектов нейрогенеза при MCPH190. Соответственно, ассоциированные с MCPH мутации в PLK4 и CPAP, как было установлено, нарушают биогенез центриолей, а истощение белков, необходимых для удвоения центриолей , уменьшает размер головного мозга мышей32,110-112,191-193. Интересно, что ассоциированные с MCPH мутации в STIL м. способствовать амплификации центриолей и избыточной экспрессии PLK4 а развивающемся головном мозге мышей, вызывая амплификацию центриолей и уменьшение размера головного мозга86,154. Итак, подтверждается идея, что или повышенное или пониженное количество центриолей могут вызывать MCPH.
    Во время развития головного мозга нейральные предшественники подвергаются симметричным пролиферативным делениям для самообновления. Поскольку центросомы выполняют важную роль а ориентации митотического веретена, то дефекты в количестве или структуре центросом могут нарушать симметрию делений и приводить к преждевременному истощению нейральных предшественников194. В соотв. с этим мнением дефекты ориентации веретена обнаруживаются в органоидах головного мозга и у мышей с мутациями, вызывающими MCPH в CDK5RAP2 (Refs 195,196). Хотя этот механизм характеризуется случайной ориентацией веретена в нейроэпителиальных предшественниках, он не влияет на количества продуцируемых нейронов197, и дефекты ориентации митотического веретена не обнаруживаются в микроцефалическом головном мозге некоторых мышиных моделей190.
    Важно. что клетки с аномальными количествами центриолей обнаруживают задержку в сборке веретена и увеличение продолжительности митозов106,133,134,198. Т.к. задержка митозов в нейральных предшественниках в головном мозге некоторых мышиных моделей микроцефалии, очевидна, то эта задержка активирует путь надзора за митозами (Fig. 3) , чтобы ограничить пролиферацию нейральных предшественников во время эмбриогенеза, продуцируя тем самым меньше нейронов, чем в нормальном головном мозге191,192,199. В подтверждение этой идеи, увеличение продолжительности митозов, как было установлено, способствует дифференцировке и гибели нейральных предшественников в развивающемся гое мышей199. Более того, мышиные модели с редуцированными уровнями центросомных белков обнаруживают микроцефалию, которая устраняется путем делеции Tp53 (Refs 191,192). Важно, хотя делеция Tp53 восстанавливает размер головного мозга, она не устраняет дефектов в архитектуре ткани, вызываемых аномальной ориентацией веретена и неправильное пространственное расположение клеток нейральных предшественников191. Имеющиеся данные подтверждают новую модель, согласно которой дефекты центросом приводят к митотической задержке, это вызывает активацию пути надзора за митозами в развивающемся головном мозге. Необходимо определить, действительно ли путь наздора за митозами в самом деле активируется в клетках нейральных предшественников с дефектами центросом и действительно ли делеция USP28 и/или TP53BP1 может восстанавливать размер головного мозга у моделей MCPH. Мутации в некоторых не центросомных белках также вызывают MCPH,и было бы интересно протестировать, действительно ли эти мутации также вызывают задержку митозов и активируют путь надзора за митозами187-189.
    Центральным оставшимся без ответа вопросом является вопрос, почему мутации в широко экспрессирующихся центросомных белках приводят к специфическим дефектам в развитии головного мозга. Фактически, мутации в некоторых центросмных белках вызывают микроцефалическую примордиальную карликовость, при которой уменьшение головного мозга происходит параллельно с уменьшением размера тела187,188 (Table 2). Поскольку MCPH или микроцефалическая примордиальная карликовость могут быть вызваны мутациями в одном и том же гене, они могут представлять фенотипический спектр с перекрыванием лежащих в основе патологических механизмов. Слабые гипоморфные мутации в гене могут вызывать MCPH, тогда как более сильные гипоморфы вызывают глобальные дефекты роста, приводящие к микроцефалической примордиальной карликовости. Единственным объяснением повышенной чувствительности головного мозга является то, что развитие коры нуждается в обширной пролиферации в течение короткого периода развития, тогда как др. органы могут быть способны нагонять норму, если минорная задержка в продукции не отражается на количестве необходимых клеток. Альтернативная возможность заключается в том, что нейральные предшественники обладают низким порогом активации пути надзора за митозами по сравнению с др. типами клеток.

    Perspective


    The past decade has witnessed a dramatic increase in our understanding of the molecular mechanisms that control centriole biogenesis and function. We will continue to benefit from insights provided by structural work on centriole and PCM components and ongoing research into the role of phosphorylation in controlling centriole assembly. In particular, additional substrates of kinases PLK1, PLK4 and CDK2 are likely awaiting identification. Moreover, little is currently known about the role of phosphatases in centriole biogenesis, and it will be interesting to further explore the role of other post-translational modifications of centrosome proteins.
    Increased comprehension of the molecular mechanisms underlying centriole number, structure and function will have important ramifications for the understanding and treatment of diseases linked to centrosome dysfunction, and potential therapeutic approaches are now being explored (Box 1). In this regard, the identification of pathways that restrain the cell cycle in response to abnormal centrosome numbers is particularly exciting. However, we lack a comprehensive understanding of how these pathways are triggered and how they function in the context of an organism. In the future, animal models that faithfully mimic the phenotypes produced by centrosome dysfunction will be instrumental in elucidating the mechanisms by which centrosome defects contribute to human disease. At present, studies that have examined the effect of centrosome amplification in mammals do so by increasing PLK4 expression. However, PLK4 also has a critical role in spindle assembly in the absence of centrioles in the early mouse embyro131,200, and recent work has suggested PLK4 can control cancer cell migration and invasion through the regulation of the actin cytoskeleton201. It will be important, therefore, to further explore these non-canonical functions of PLK4 and to extend previous studies on centriole amplification by using alternative means to modify centriole numbers.

    Box 1: Centrosomes as therapeutic targets

    Polo-like kinase 4 (PLK4) has emerged as a therapeutic target based on its key role in controlling centrosome duplication and recent evidence that it functions to promote cancer cell migration and invasion100,101,201. CFI-400945 was the first described inhibitor of PLK4, which potently suppresses the growth of human xenograft tumours in mice202. However, CFI-400945 also inhibits the activity of other kinases, including Aurora B, making it unclear whether PLK4 is the only relevant therapeutic target of CFI-400945 (Ref. 203). The recent development of the highly specific PLK4 inhibitor centrinone provides a precise means to study the effect of inhibiting centrosome biogenesis on tumour growth. Work in cultured cells showed that centrinone prevents the proliferation of non-transformed cells but does not interfere with the continued proliferation of most transformed cell lines133. In fact, it was shown that most cancer cell lines can proliferate in vitro without centrosomes, suggesting that they do not require supernumerary centrosomes to drive their pathologic proliferation133. Thus, inhibiting centrosome duplication alone may not be an efficacious anticancer strategy. Nevertheless, it may be possible to identify genetic alterations that are synthetically lethal with centrosome loss, and PLK4 inhibitors could offer therapeutic value in suppressing functions of PLK4 that promote invasion and metastasis201.
    An alternative therapeutic strategy is to exacerbate the challenge of divisions occurring in the presence of abnormal centrosome numbers. Because centrosome clustering is not required in cells with normal centrosome numbers but is required to ensure bipolar spindle assembly in cells with supernumerary centrosomes, one idea is to suppress centrosome clustering and force cancer cells with extra centrosomes into lethal multipolar divisions172.
    An alternative to targeting the centrosome directly is to manipulate proteins that control the response to errors in centrosome duplication. Ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase 28 (USP28) is an enzymatic component of the mitotic surveillance pathway and in principle can be inhibited. Because USP28 knockout mice lack a clear phenotype143,144, USP28 inhibition could be used therapeutically in conditions such as microcephaly, where the mitotic surveillance pathway may be pathologically activated.