Growing without a size checkpoint Journal of Biology 2003 2(1):3 | |
|
В данном номере Journal of Biology ], Ian Conlon и Martin Raff описывают серию экспериментов, которые ставят под вопрос основное предположение о том, что размеры клеток млекопитающих поддерживаются во время пролиферации и они разрушили общепринятую доктрину (см Вох 1 с резюме этой работы). Большинство пролиферирующих клеток в культуре поддерживают константное распредление размеров и постоянный средний размер, очевидно, что скоординирован рост клеток с прохождением через цикл клеточного деления. Но как эта координация соркестрирована ка молекулярном уровне, неясно.
The history from yeast
Большинство современных знаний о росте клетокполучены в экспериментах, проведенных на дрожжах, которые показали, что дрожжевые клетки м поддерживать критические размеры в соответствии со стадией клеточного цикла и делится (см 'Background' box). В 1970s Paul Nurse и др. идентифицировали мутантов у делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe, которые давали аномально маленькие клетки. Эти известные wee мутанты (названные шотландским термином маленькие) вызвали серию открытий, которые указывали на центральную machinery, лежащую в основе ходе клеточного цикла. Эквивалентные whi мутации (названные по bottle of whisky) были затем выделены из почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Удивительная консервация молекулярной кухни (machinery), контролирующей клеточный цикл эукариот позволила открытия, сделанные на дрожжах, быстро распространить на млекопитающих. Но Conlon и Raff теперь убеждены, что механизмы, координирующие клеточный рост с клеточными делениями не одинаково законсервированы у дрожжей и клеток млекопитающих.
Когда ход клеточного цикла блокирован, то дрожжевые клетки продолжают расти. Большие клетки растут быстрее, чем маленькие клетки, так что клеточный рост является экспоненциальным. Эти находки показали, что нормальные дрожжевые клетки д. оперировать 'checkpoint'(КПП), чтобы поддерживать постоянным средний размер клеток: checkpoint гарантирует, что клетки не будут расти после достижения определенного размера (до тех пор, пока они делятся). Т.к. такой cell-size checkpoint (КПП) оперирует, чтобы предотвратить чрезмерное увеличение размера клеток, то д.б. и др. checkpoint, который препятсвует наступлению деления пока клетка не достигнет адекватного размера, чтобы предупредить чрезмерное уменьшение размеров клеток.
Дальнейшие исследования по смене типа среды, на которой росли дрожжевые клетки, подтвердили идею cell-size checkpoint. На среде, богатой пищевыми веществами клетки росли быстрее и были больше, чем клетки, растущие на бедной среде. Когда клетки переводили с бедной среды на богатую, то они быстро подгоняли свои размеры, прежде чем делиться. Стали считать, что cell-size checkpoint действует и в клетках животных.
Schwann cells do it differently Conlon обнаружил, что glial growth factor (GGF) м. стимулировать ход клеточного цикла в первичных Шванновских клетках крыс, не затрагивая рост клеток, тогда как insulin-like growth factor-1 (IGF-1) способствует как росту клеток, так и клеточным делениям. Эти эксперименты показали, что внеклеточные сигналы важны для контроля размеров Шванновских клеток при делении и открыли интригующую возможность, что клетки млекопитающих не нуждаются в size checkpoint. "Мы решили провести эксперименты сходные с теми. что проводили Nurse и др. на дрожжах," сообщил Conlon. "Мы арестовывали клетки в определенных точках клеточного цикла и измеряли их размеры, чтобы посмотреть растут ли они экспоненциально (См. 'Behind the scenes' box)
Способ клеточного роста является критическим объясняет Robert Brooks (King's College London, UK). "Если рост экспоненциальный, то тогда клетка д. иметь контроль роста, заканчивающийся делением, т.к. иначе случайные различия в размерах при делении будут постоянно возрастать от генерации к генерации. Этого не происходит. Напротив, если рост не является экспоненциальным, то тогда такой контроль размера не нужен," говорит Brooks. "Учитывая, что клетки только удваиваются в размере (в среднем) от одного деления к следующему, то действительно очень трудно экспериментально отличить линейный и экспоненциальный рост в такоих узких рамках," отмечает Brooks.
Conlon и Raff преодолели эти технические трудности путем измерения размеров в течние более длинного периода времени, чем один клеточный цикл. Они блокировали клеточные деления ингибитором ДНК полиеразы и осуществляли мониторинг рамеров клеток, используя Coulter Counter. Conlon и Raff нашли, что шванновские клетки растут линейным способом, добаляя постоянное количество объема каждый день, независимо от своих размеров. Линейный рост продолжается пока клетка не достигнет размера в 8 раз превышающего нормальный размер. "This is a remarkable feat for the cells – they must really care about this," отмечает Raff. Эксперименты также выявили, что скорость синтеза белка и деградации белка увеличиваются с увеличением размера клетки, так что чистое накопление белка не зависит от размера. "Это указывает на то, что большие клетки знают, что они большие и замделяют свою абсолютную (net) скорость роста соответственно," за счет увеличения скорости деградации, говорит Brooks. "Было бы здрово узанть, как это работает."
Обнаружение, что рост неэкспоненциален (в отличие от дрожжей)указывает на то. что Шванновские клетки не нуждаются в checkpoint. Conlon и Raff попытались провести эксперименты. сходные со сдвигом среды у дрожжей. Но когда Шванновские клетки переносили из среды, лишенной сыворотки, в среду с сывороткой, то понадобилось около 6 клеточных делений, чтобы достичь среднего размера клеток, растущих все время на среде, обогащенной сывороткой. Эти результаты согласуются с отстуствием cell-size checkpoint, который предупреждает клеточные деления, пока клетка не достигнет соотв. размера.
Conlon b Raff предположили, что внеклеточные сигналы в основном ответственны за регуляцию размеров Шванновских клеток. "Животные клетки жестко ничего не предпринимают без сигналов от др. клеток," заявляет Raff, подчеркивая, что существуют различия в стиле жизни дрожжевых и животных клеток, это объясняет их разные способы регуляции. Клетки metazoan в отличие от дрожжевых и бактериальных не находятся под жестким давлением отбора. Kellogg считает, что "дрожжевой рост детерминируется изнутри, тогда как животные клетки живут как сообщества." Raff удивляется, как metazoan внеклеточные сигналы регулируются и как они связаны с координацией синтеза и деградации белков. "Они д.б. тонко взаимосвязаны," говорит Raff, цитируя работу James Franklin и Eugene Johnson, которые продемонстрировали, что нейротрофные факторы регулируют скорости и синтеза и деградации белков в симпатических нейронах.
A growth industry Conlon и Raff надеются. что их работа инспирирует др. изучению этого фундаментального вопроса, как клетки поддерживают необходимые размеры в многоклеточных организмах. Kellogg цитирует недавние исследования в лаб. Mike Tyers' (University of Toronto, Canada), где использовался систематический подход для выявления эффектов на клеточный рост мутаций каждого из 6,000 почкующихся дрожжей; это исследование показало важность биогенеза рибосом в регуляции роста.
Nurse надеется, что подобные genome-wide подходы однажды смогут ответить на вопрос, что же ограничивает рост, м. рибосомы, энергетический метаболизм, продукция белка и ли активация генов. Conlon добавляет. что важно связать внеклеточные ростовые сигналы с путями передачи внутриклеточных сигналов, такими как те, что используют phosphoinositide 3'-kinase и рибосомальную S6 kinase, которые связаны с контролем размеров клеток у мух и мышей.
Now that the misapprehension of a mammalian cell-size checkpoint has been wiped away, there should be a renewed interested in determining how cells grow and maintain a constant size, and what the fundamental differences might be between the regulation of growth in yeast and mammalian cells
| |
)
