Посещений:
Амплификация Центросом

Последствия

The good, the bad and the ugly: the practical consequences of centrosome amplification
Greenfield Sluder (greenfield.sluder@umassmed.edu) and Joshua J Nordberg
Current Opinion in Cell Biology
Volume 16, Issue 1 , February 2004, Pages 49-54

Centrosome amplification (the presence of more than two centrosomes at mitosis) is characteristic of many human cancers. Extra centrosomes can cause the assembly of multipolar spindles, which unequally distribute chromosomes to daughter cells; the resulting genetic imbalances may contribute to cellular transformation. However, this raises the question of how a population of cells with centrosome amplification can survive such chaotic mitoses without soon becoming non-viable as a result of chromosome loss. Recent observations indicate that a variety of mechanisms partially mute the practical consequences of centrosome amplification. Consequently, populations of cells propagate with good efficiency, despite centrosome amplification, yet have an elevated mitotic error rate that can fuel the evolution of the transformed state.


Рис.1.  | Centrosome amplification.


Рис.1.  | Centrosome amplification in p53-/- Clara cells .

В качестве первичного центра, организующего микротрубочки в клетках млекопитающих центросомы оказывают выраженное влияние на все процессы, зависящие от микротрубочек. Когда клетка вступает в митоз, то дочерние центросомы испускают (nucleate) астральные лучи, которые вносят большую часть своих микротрубочек в формирование веретена. Посредством этих астральных микротрубочек центросомы предопределяют полярность веретена, позицию и ориентацию веретена и плоскость деления. Если соматические клетки млекопитающих вступают в митоз с добавочными центросомами, но то они формируют мультиполярные веретена и делятся на более, чем две дочерние клетки (напр., [1-3]). Однако, соматические клетоки обладают также альтернативными путями, которые собирают биполярные веретёна в отсутствие центросом [4-7]. На этом пути микротрубочки собираются случайно в непосредственной близи от хроматина, образуют антипараллельные лучи с помощью биполярных кинезинов, а минус концы движутся дистально к хромосомам с помощью chromokinesins. Мини-концами управляющие моторные молекулы, такие как цитоплазматический dynein, перемещаются к и поперечно связывают минус концы микротрубочек, формируя нечто подобное сфокусированным полюсам веретена, с помощью полярного накопления белка NuMA, связывающего в пучки микротрубочки [8-11]. Эти два механизма организации биполярных веретен не являются взаимно исключающими и оба, по-видимому, присутствуют в соматических клетках млекопитающих. Но если присутствуют центросомы, то они предопределяют полярность веретена [12-14].

Centrosome amplification and cancer


Во всём организме мультиполярные митозы вредны. т.к. вызывают потерю или избыток хромосом, что ведет к элиминации нормальных аллелей генов опухолевых супрессоров и вызывает др. генетические дисбалансы, которые м. способствовать нерегулируемому росту и снижению апоптической реакции на клеточные повреждения [14-17]. В самом деле, клетки большинства раков поздних стадий у людей анеуплоидны, геномно нестабильны и обнаруживают высокие степени амплификации центросом [14-23]. Геномная нестабильность, как полагают, является основной движущей силой во многоступенчатом канцерогенезе [24-27]. Напр., инвазивные раки молочных желез обнаруживают позитивную линейную корреляцию между амплификацией центросом и анеуплоидией [21]. Хотя неясно, достаточна ли амплификация центросом per se чтобы вызывать трансформацию [14,16], аномалии центросом и анеуплоидия обнаруживаются в преинвазивных карциномах и т.о. м.б. ранними событиями в трансформации клеток [28,29]. Добавочные центросомы не элиминируются и нет КПП (checkpoint), который бы абортировал митозы в ответ на появление избыточных полюсов в веретене [3].

Practical consequences of centrosome amplification


Возникает вопрос, как популяции опухолевых клеток м избыточными центросомами м. размножаться даже в короткие сроки переде лицом существенной потери генетической информации благодаря распредению хромосом между многими дочерними клетками. В большие сроки, даже если малая часть дочерних клеток выживает, то дополнительные мультиполярные деления д. обязательно приводить к потере жизнеспособности популяции. Вред от излишних центосом в культивируемых клетках иллюстрируется с помощью находок, что p53-/- mouse embryo fibroblasts (MEFs) имеют ~30% уровень амплификации центросом в ранних пассажах, но к 40 пассажу почти все клетки имеют нормальный набор центросом [33]. Очевидно, что это противоречит реальности; популяции опухолевых клеток пролиферируют, подчеркивая, что степень амплификации центросом по-видимому. растет прогрессивно с прогрессированием опухоли [19,21,25,27,34,35].
Теоретически несколько механизмов м. действовать, чтобы ослабить последствия амплификации центросом [14,16]. Важным принципом является то, что популяция клеток с амплификацией центросом д. каким-то образом избегать или задерживать период митотического хаоса и восстанавливать митотическую стабильность с помощью переустановки фенотипа биполярного веретена. Во-первых, возможно, что случайно дочерние клетки от мультиполярного деления будут наследовать только по одной центросоме и достаточно хромосом, чтобы остаться живыми, хотя и генетически несбалансированными. Если неспособность к расщеплению, источник амплификации центросом, увеличивает количество хромосом, то это м. увеличить шансы, что некоторые дочерние клетки получат достаточно хромосом, чтобы выжить. Со временем отбор роста д. действовать в пользу выживания и пролиферации клеток с нормальным количеством центросом [33]. Во-вторых, клетки м. инактивировать добавочные центросомы. Хотя это остаётся формальной возможностью, т.к. единственным доказательством этого феномена является потеря материнских цинтросом в зиготах, которые обнаруживают отцовское наследование центросом, используемых в развитии [16,36]. Мы сознаём, что нет доказательств инактивации центросом в соматических клетках млекопитающих, которые остаются в клеточном цикле. Наконец, м.б. отбор внутри популяции клеток с усиленной активностью связывания в пучки микротрубочек, которая собирает множественные центросомы в две группы, чтобы сформировать функционально биполярное веретено. Классическим примером является линия клеток N115, которая действительно связывает в пучки множественные центросомы в две группы и образуют биполярное веретено в митозе [37]. Однако, имеются высоко развитые клетки, которые вырабатывают строгие компенсаторные механизмы для амплификации центросом. В ситуации in vivo м. спросить, как нормальные соматические клетки, naive по отношению к избыточным центросомам, м. переживать период митотического хаоса достаточно долго, чтобы сделать возможным выбор активности по связыванию в пучки микротрубочек, которая д. б. достаточно сильной, чтобы свести множественные центросомы вместе и сделать возможной сборку биполярного веретена.
Тонкая связь между теорией и реальной жизнью в поведении клеток заставляет нас охарактеризовать практические последствия амплификации центросом для митотического исхода в ранних пассажах p53-/- MEFs (Nordberg and Sluder, unpublished). Исследование фиксированных интерфазных клеток выявляет, что 34% содержат более двух центросом (в пределах 3-25 на клетку), при отсутствии системной корреляции между количеством центросом и номером пассажа. В митотических клетках, тех, что с двумя центросомами, как и ожидается образуются нормальные биполярные веретена (Рис. 1a). Некоторые клетки собирают мультиполярные веретена (Рис. 1b); фигуры телофаз обнаруживают три и более групп отдельных хромосом, т.е. они распределят хромосомы неравным образом ( Рис. 1c). Др. клетки обнаруживают едва уловимые, но тем не менее существенные митотические дефекты. Напр., Рис. 1d показывает клетку, в которой две частично разделенные центросомы присутствуют на одном полюсе веретена. Хотя основная масса хромосом собрана в метафазную пластинку, одна или несколько хромосом bioriented между не полностью разделенными центросомами. Такие клетки м. разделиться, если не полностью разделенные центросомы не разделятся в дальнейшем, но обе дочерние клетки очевидно не будут генетически идентичными (см. также [17]). Это указывает на то, что некоторые митозы будут иметь недостаток или избыток по одной или нескольким хромосомам без катастрофической потери генетической информации. Важно, что некоторые клетки обнаруживают способность собирать биполярные веретена из множественных центросом на каждом из полюсов (Рис. 1e) и будут обеспечивать равное расхождение хромосом. Наконец, некоторые клетки содержат мультиполярные веретена, в которых некоторые избыточные центросомы связаны с одним или несколькими полюсами веретен( Рис. 1f). Это указывает на то, что связывание в пучок полюса веретена м. варьировать от клетки к клетке и от митоза к митозу. Это м. отражать динамичный баланс между тенденцией каждой центросомы формировать свой собственный полюс веретена и активностью белков, которые связывают микротрубочки. Вообще-то степень увязывания в пучок центросомы зависит от пространственно близости центросом в начале митоза; те которые близки др. к др. увязываются, а которые удалены образуют независимые полюса веретена.



Figure 1. Range of spindle morphologies in p53?/? mouse embryo fibroblasts. (a) Normal bipolar spindle. (b) Tripolar spindle. (c) Tripolar spindle at telophase showing three-way chromosome distribution. (d) Spindle with two centrosomes at one spindle pole. One or more chromosomes are bioriented between the two upper centrosomes of this essentially bipolar spindle. (e) Bipolar spindle assembly with multiple centrosomes. (f) Multipolar spindle with three centrosomes bundled together at the lower right pole. Centrosomes are immunostained for gamma tubulin (red) and chromosomes are stained blue. Microtubule distributions are not shown.

Чтобы оценить последствия амплификации центросом непосредственно >200 live p53-/- клеток проходило митозы. Зная a priori что 34% популяции имеет добавочные центросомы, оказалось неожиданным, что только 3.8% популяции (или ~10% клеток с добавочными центросомами) обнаруживали определенно мультиполярные деления с образованием отдельных дочерних клеток. 91.5% клеточной популяции делится биполярно и дочерние клетки получают примерно равные количества хромосом. Некоторые из этих клеток обнаруживают вторичные мелкие поверхностные деформации в телофазе, которые вскоре исчезают, давая в результате биполярные деления.
Эти наблюдения показывают, что показатели мультиполярных митозов падают, как и показатели амплификации центросом. Несколько факторов действует в отдельности или в комбинации, чтобы заглушить, но не элиминировать, эффекты амплификации центросом. Во-первых, связывание в пучок полюсов веретена в некоторых клетках ведет к биполярным делениям, а степень пучкования (bundling) определяет будет ли происходить равное распределение хромосом (Рис. 1e) или почти равное (Рис. 1d). Во вторых, если клетки подвергаются мультиполярным делениям, то м. присутствовать только одна борозда деления, дающая две дочерние клетки, содержащие, по-видимому, разные наборы хромосом. При этом некоторые дочерние клетки, получающие меньше хромосом, рискуют погибнуть, а др. должна иметь достаточно генетической информации для продолжения размножения, несмотря на генетический дисбаланс. Предполагается, что причиной неспособности образования множественных борозд деления в этих клетках м.б. трудности в создании достаточного количества новых областей на поверхности, чтобы обеспечить образование более чем одной борозды деления. Кроме того клетки с мультиполярными веретенами иногда имеют одну или несколько хромосом, которые остаются в срединной зоне веретена во время анафазы из-за merotelic прикрепления кинетохор к двум полюсам веретена [1-3,38.]. Если такие хромосомы остаются в midbody, то они д. блокировать завершение деления. Все эти факторы м. объяснить, почему почти 5% из p53-/- клеток полностью неспособны делиться. Такая неспособность образования борозд дробления не уникальна для p53-/- MEFs; PtK клетки и зиготы морского ежа с мультиполярными веретенами часто неспособны завершать образование всех борозд дробления ([39,40]; C Rieder, unpublished; G Sluder, unpublished).

Spindle pole bundling in 'normal' cells


Чтобы определить, как обычные клетки приходят к амплификации центросом,обрабатывали клетки BSC-1 cytochalasin D, для блокирования деления. После удаления лекарства отдельные двуядерные клетки, содержащие по 4 центросомы, вступали в митоз (Nordberg and Sluder, unpublished). BSC-1 клетки обычно имеют нормальные количества центросом и , следовательно, не подвергаются селективному давлению в отношении способности смегчать последствия множественных центросом в митозах. Эти клетки не имеют функционального checkpoint, который бы отслеживал полиплоидию; поэтому все двуядерные клетки вступают в митоз. 44% делятся имеея трехполярные или четырехполярные веретена (Рис. 2, right-hand cell). Др. 26% начинают мультиполярные деления, но в конечном итоге делятся на две клетки. Остальные 30% формируют одну метафазную пластинку и делятся на две дочерние клетки (Рис.2, left-hand cell). Т.о., 'bundling' множественных центросом, позволяющее собирать биполярное веретено в p53-/- MEFs (и, по-видимому, в опухолевых клетках) не просто обусловлено клональным отбором клеток в отношении необходимых специальных свойств. Даже клетки naive в отношении амплификации центросом, м. делиться биполярно, хотя не обязательно равно, если они получают добавочные центросомы. Вообще-то эта нативная bundling активность обеспечивается с помощью пути acentrosomal сборки веретена, чтобы организовать микротрубочки в биполярный массив.

Figure 2. Mitosis in two adjacent binucleate BSC-1 cells, each containing four centrosomes. (a) Both cells are in interphase with paired nuclei close together. (b) Left-hand cell has entered mitosis and assembled a bipolar spindle. Chromosomes aligned on a single metaphase plate are shown here in very early anaphase. (c) Late anaphase for left-hand cell; the daughter chromosomes are separated into just two groups. (d) Right-hand cell has assembled a tripolar spindle in mitosis. The chromosomes are aligned on an Y shaped metaphase plate. The left-hand cell has returned to interphase and the cleavage furrow has failed to complete so that both nuclei have come together. (e) Early anaphase in right-hand cell; chromosomes are being distributed to three poles. (f) Right-hand cell is cleaving into three daughter cells. Phase-contrast microscopy is used throughout. Hours and minutes after the first image are shown in the lower corner of each frame.

Conclusions


The often stated notion that centrosome amplification causes aneuploidy and genomic instability simply by causing the assembly of multipolar spindles, although correct, is only part of the story. In practice, centrosome amplification does not have a simple or predictable effect on mitosis, nor does it necessarily lead to massive cell death through mitotic chaos. Rather, it causes highly variable outcomes of mitosis: some cells partition chromosomes equally, others mis-segregate one or a few chromosomes, and some fail cleavage. This variability is due to a dynamic balance between three factors: the tendency for each centrosome to form a spindle pole, spindle pole bundling, and the failure of all but one cleavage furrow, which favors a bipolar, but not always equal, mitotic outcome. Complete cleavage failure is particularly dangerous for the organism because it doubles the number of chromosomes, which enhances the chance that some daughter cells will have enough chromosomes to remain viable despite genetic imbalances. Indeed, tetraploidization often precedes aneuploidy in solid tumors [41-44]. Also, somatic cells may immediately tolerate, to a variable extent, a centrosome amplification event. Together, these compensatory factors functionally mute the practical consequences of spindle multipolarity so that mitotic chaos is reduced and the fidelity of the mitotic process is only partially degraded. The net result is that a population of cells will continue to propagate, despite some cell death [45], yet will have an elevated level of mistakes in chromosome distribution that can fuel the evolution of unregulated growth characteristics. Over time, Darwinian evolution will favor cells that have developed an increased ability to manage multiple centrosomes and thus regain some measure of mitotic stability.
Сайт создан в системе uCoz