Микротрубочки формируют морфологию эукариотических клеток. Они поддерживают сложную морфологию нейронов, образуя массивы, состоящие из более чем 100 микротрубочек каждый (1). Эти параллельные дорожки транспортируют грузы в проекциях нейронов - нейритах (2). Внутри массива микротрубочек отдельные микротрубочки динамичны; они могут перемещаться (3), формироваться (4, 5), а также полимеризоваться и деполимеризоваться (6). Однако массив микротрубочек в самом нейрите считается стационарной структурой, даже во время развития нейрона (7, 8). Мы опровергаем это мнение, показав, что массив микротрубочек в развивающихся нейритах движется ретроградно от дистального кончика нейрита к телу клетки.

Это открытие ретроградного движения микротрубочек (MT-RF) меняет наш взгляд на цитоскелетную динамику в нейронах. Мы показываем, что этот новый взгляд меняет наше понимание поляризации нейронов - процесса, в ходе которого нейроны выделяют один нейрит, чтобы он стал аксоном, в то время как другие нейриты позже становятся дендритами (9, 10). Ранее считалось, что обогащение специфическими сигнальными компонентами отличает быстро растущий аксон от неподвижных нейритов (10-12). Наши данные показывают, что поддержание коротких нейритов - это активный процесс, осуществляемый MT-RF. В аксоне MT-RF замедляется, обеспечивая надежное расширение массива микротрубочек и, таким образом, поляризацию нейронов. Таким образом, вновь открытый тип цитоскелетной динамики контролирует основные функции нейронов. MT-RF может быть не только специфичным для нейронов, но и влиять на заполненные микротрубочками процессы в клетках, не являющихся нейронами.

Наша работа раскрывает ранее неизвестный тип цитоскелетной динамики - MT-RF. Благодаря этому механизму массив микротрубочек в нейритах не является стационарным, а постоянно движется в сторону тела нейрона в течение раннего развития. Тубулин диффундирует (20) или транспортируется (21) из тела клетки для интеграции в полимеризующиеся микротрубочки в нейритах. Затем весь массив микротрубочек ретроградно движется к телу клетки. Хотя механизмы этого движения еще предстоит изучить, возникает рабочая модель MT-RF.

Поскольку MT-RF усиливается за счет действующих в минус направлении мембранных моторов динеина и KIFC1, микротрубочки в плюс направлении, по-видимому, играют важную роль в этом процессе. Но как смешанный массив микротрубочек, присутствующий в нейритах (29), может обеспечить равномерное ретроградное движение массива микротрубочек? Во-первых, пучки и сшитые микротрубочки в нейритах (2, 39) могут передавать силу, действующую на подмножество микротрубочек, всему массиву микротрубочек. Двунаправленный поток микротрубочек, который мы наблюдали после деполимеризации актина, предполагает, что актин может удерживать микротрубочки вместе для равномерного ретроградного потока, возможно, с помощью белков, сшивающих актин с микротрубочками (7). Такой механизм еще предстоит изучить в будущих исследованиях.

Тогда, для чистой ретроградно направленной силы, одной из возможностей может быть то, что микротрубочки plus-end-in не распределены равномерно по всему диаметру нейрита, а скорее концентрируются вдоль участков, близких к плазматической мембране. Криосохраненная электронная микроскопия и новые методы флуоресцентной микроскопии сверхразрешения (40,41) помогут охарактеризовать распределение и геометрию микротрубочек внутри нейритов.

В качестве альтернативы, пост-трансляционные модификации, более характерные для микротрубочек plus-end-in, могут сделать их лучшим субстратом для моторов, направленных на минус конец. Однако такое предпочтение должно быть сходным, по крайней мере, для двух моторных доменов, нацеленных на минус конец, протестированных в данном исследовании, динеина и KIFC1, что может сделать эту возможность менее вероятной. Будущие исследования должны точно определить физиологическое местоположение и действие моторных белков, участвующих в MT-RF.

Мы показали, что pa-Blebb и taxol вызывают замедление MT-RF, однако ни один из препаратов не влияет на ориентацию микротрубочек в течение этого периода времени, что позволяет предположить другой механизм этого процесса. Таксол снижает критическую концентрацию для сборки микротрубочек (42) и увеличивает скорость восстановления нестабильности микротрубочек (43, 44). Стабилизируя микротрубочки, таксол также изменяет пост-трансляционные модификации (45). Pa-Blebb является ингибитором миозина II и снижает сократимость актина (46-48) в аксонах и актиновых дугах в конусе роста (23, 49, 50), тем самым позволяя микротрубочкам проникать в кончики нейритов более дистально. Pa-Blebb также уменьшает ретракцию нейритов (51). Миозин II может подпитывать MT-RF, увеличивая сократимость ствола нейрита или конуса роста. Отметим, что механизм, определяющий, как ретроградно движущиеся микротрубочки разбираются в теле клетки, еще предстоит изучить. В совокупности открытие MT-RF открывает новую область потенциальных исследований, в которой есть много возможностей для фундаментальных открытий.

Во время развития нейронов плотность микротрубочек в нейритах постоянно циклически изменяется от низкой до высокой плотности, причем состояние высокой плотности ассоциируется с увеличением роста нейритов (27). Мы предполагаем, что эти циклы плотности вызваны балансом между MT-RF и полимеризацией микротрубочек. Микротрубочки в нейрите полимеризуются более чем в 20 раз быстрее, чем ретроградный поток микротрубочек (14, 15). Полимеризация тубулина в микротрубочки, быстро диффундирующего или транспортируемого в нейрит, таким образом, компенсирует потерю микротрубочек в результате MT-RF. Поскольку в любой момент времени в нейрите полимеризуются только некоторые микротрубочки, MT-RF и полимеризация микротрубочек остаются в равновесии и поддерживают плотность микротрубочек относительно постоянной. Известно, что полимеризация микротрубочек в нейритах увеличивается в виде всплесков во время раннего развития нейронов (27). Когда полимеризация микротрубочек усиливается, полимеризуется больше микротрубочек, чем теряется из нейрита из-за MT-RF; в результате плотность микротрубочек увеличивается. После этого увеличения полимеризация микротрубочек снова снижается, а MT-RF, в свою очередь, возвращает плотность микротрубочек к исходному уровню.

В то время как предыдущие модели объясняли только увеличение плотности микротрубочек, эта новая модель, включающая MT-RF, дает объяснение всему циклу плотности, включая снижение плотности микротрубочек. Это закладывает основу для нашего понимания роста нейритов и может помочь определить, как нейриты способны исследовать пространство в поисках химических градиентов для хемотаксиса или соединения с нейронными и ненейронными клетками.

Если ранее считалось, что кончик нейрита регулирует рост нейрита (10, 52), то наши данные показывают, что продвижение кончика нейрита регулируется динамикой всего нейрита посредством MT-RF. Мы предполагаем, что MT-RF механически дестабилизирует массив микротрубочек для подавления стабильного роста во время флуктуирующего состояния (9, 26). Замедление MT-RF в аксоне позволяет использовать стабильный аксональный микротрубочковый массив в качестве каркаса для удлинения. Такой механически стабильный массив микротрубочек может быть необходим для роста нейритов во время поляризации нейронов, так как нейриты нейронов центральной нервной системы могут расширяться без использования матрикса в качестве основы для вытягивания (24). Следовательно, наша работа обеспечивает смену парадигмы в нашем понимании поляризации нейронов. В то время как предыдущие исследования фокусировались в основном на аксоне и его свойствах роста (10, 11), MT-RF смещает этот взгляд в сторону мелких нейритов и того, что поддержание короткой длины является активным процессом.

MT-RF представляет собой ранее неизвестный тип цитоскелетной динамики, синхронно реструктурируя цитоскелет в беспрецедентных масштабах путем непрерывного удаления всей массы микротрубочек. Для поддержания массы микротрубочек микротрубочки зарождаются и полимеризуются внутри нейрита (4, 5). Будет интересно посмотреть, влияет ли MT-RF также на динамику заполненных микротрубочками процессов в инвазирующих клетках карциномы (53) и в других не-нейральных клетках, включая клетки радиальной глии, развивающиеся олигодендроциты или микроглии во время развития, поддержания и болезни. Десятилетия назад открытие бегущих филаментов актина породило концепцию ретроградного потока актина (54-56), которая радикально изменила изучение динамики цитоскелета в нейронах (52) и не-нейрональных клетках (57). Поскольку открытие MT-RF является сопоставимым концептуальным сдвигом, мы ожидаем аналогичный толчок в исследованиях.

Итак, в развивающихся нейронах позвоночных нейрит формируется из более чем сотни микротрубочек. В то время как отдельные микротрубочки динамичны, массив микротрубочек считался неподвижным. Используя визуализацию живых клеток нейронов в культуре или в срезах мозга, в сочетании с методами фотоконверсии и фармакологическими манипуляциями, мы обнаружили, что массив микротрубочек движется ретроградно внутри нейритов к телу клетки. Этот поток управляет циклами плотности микротрубочек, что является отличительной чертой флуктуирующего состояния перед формированием аксона, тем самым подавляя рост нейрита. Двигательный белок динеин подпитывает этот процесс. Вскоре после формирования аксона ретроградный поток микротрубочек замедляется в аксоне, уменьшая циклы плотности микротрубочек и обеспечивая удлинение аксона. Таким образом, поддержание коротких нейритов является активным процессом. Ретроградный поток микротрубочек - это ранее неизвестный тип цитоскелетной динамики, который меняет до сих пор аксоноцентричный взгляд на поляризацию нейронов.