Формы

Variations on a theme: the many modes of cytokinesis Taro QP Uyeda (t-uyeda@aist.go.jp) and Akira Nagasaki Current Opinion in Cell BiologyVolume 16, Issue 1 , February 2004, Pages 55-60
Animal cell division is believed to be mediated primarily by the ‘purse-string’ mechanism, which entails furrowing of the equatorial region, driven by the interaction of actin and myosin II filaments within contractile rings. However, myosin II-null Dictyostelium cells on substrates divide efficiently in a cell cycle-coupled manner. This process, termed cytokinesis B, appears to be driven by polar traction forces. Data in the literature can be interpreted as suggesting that adherent higher animal cells also use a cytokinesis B-like mechanism for cytokinesis. An additional chemotaxis-based cytokinesis that involves a ‘midwife’ cell has also been reported. Collectively, these findings demonstrate an unexpected diversity of mechanisms by which animal cells carry out cytokinesis. Рис.1. \| The accumulation of myosin II in the cleavage furrow during cytokinesis. Dictyostelium discoideum containing GFP fused to the N-terminus of the myosin II heavy chain gene. Images were acquired using 30-ms exposures of a Roper Scientific (Princeton Instruments) camera with a tk512D back-illuminated chip. Courtesy of Dr. J. Sabry and Dr. Spudich. Табл.1 Название	Неконвенциональный Миозин II Цитокинез в клетках животных представлен, по крайней мере, тремя самостоятельными ступенями. Во-первых, плоскость деления предопределяется с помощью митотического веретена. Затем борозда экваториальной области. Наконец, сжатие экваториальной области служит, чтобы дать две отдельные дочерние клетки (scission). Считается, что образование экваториальной борозды управляется myosin II-зависимым активным сжатием контрактильных колец, которые окружают экваториальную область клетки (модель 'purse-string'). Однако, недавние исследования показали, что помимо purse-string механизма, клетки слизистой плесни Dictyostelium discoideum используют др. физически отличный метод для вызывания образования борозды в экваториальной области, и что эти два разных пути служат частично перекрывающимся функциям. Более того, у простейшего Entamoeba invadens выявлен новый метод достижения разделения, использующий родовспоможение ('midwifery.'). С некоторого времени стало известно, что имеется два метода, с помощью которых специфицируется плоскость деления [1], т.о., создается впечатление, что каждая из трёх ключевых ступеней цитокинеза клеток животных заключает в себе множественные пути и процессы. Efficient cytokinesis of Dictyostelium cells without contractile rings Dictyostelium растут в качестве гомогенных одноклеточных амёб. Их гаплоидный геном довольно мал и пригоден для разнообразных молекулярно-генетических манипуляций. В отличие от дрожжей, которые в качестве прекрасной модели для изучения многих фундаментальных свойств эукариотических клеток, клтки Dictyostelium движутся, испытывают хемотаксис и делятся подобно лейкоцитам. Эти и др характеристики делают Dictyostelium уникальным превосходящим все модельные организмы для изучения базовых механизмов движения животных клеток [2,3]; он обладат дополнительными уникальными преимуществами для изучения механизмов цитокинеза - множественные, функционально перекрывающиеся пути цитокинеза. Первые успешные эксперименты, в которых ген или knocked-out или замалчивается с помощью избыточной экспрессии антисмысловой РНК у Dictyostelium были нацелены против единственного гена тяжелой цепи миозина II. Цитокинез оказывался полностью ингибированным у таких myosin II-нулевых клеток в суспензии и это было интерпретировано как доказательство в пользу purse-string модели [4,5]. В отсутствие цитокинеза, myosin II-нулевые клетки в суспензии росли в объёме и накапливали ядра, в результате возникали крупные многоядерные клетки, которые лизировались. Неожиданно эти клетки оказались полностью жизнеспособными на субстрате. Когда крупным, многоядерным клеткам позволяли прилипать к субстрату, то они быстро формировали множественные ведущие края, которые разрывали клетку на множественные фрагменты по способу, непохожему на клеточный цикл. Spudich [6] назвал этот процесс 'traction-mediated cytofission'. Neujahr et al. более детельно исследовали механизм, с помощью которого myosin II-нулевые клетки Dictyostelium делятся на субстрате и установили, что они также формируют борозду дробления в экваториальной области и делятся после деления ядер. Этот процесс назван 'attachment-assisted mitotic cleavage,' он отличен от traction-mediated cytofission тем, что более тонко связан с клеточным циклом [7,8]. Обеспечиваемое прикреплением митотическое деление является чрезвычайно эффективным и сильным процессом и является главным способом пролиферации myosin II-нулевых клеток, хотя этот процесс протекает вдвое дольше, чем нормальный цитокинез с использованием myosin II [7,9]. Т.о., myosin II-нулевые клетки Dictyostelium являют собой генетическое доказательство модели purse-string, но в то же самое время демонстрируют новый механизм купированного с клеточным циклом зависимого от адгезии цитокинеза, который не зависит от myosin II. Возникают два вопроса. Во-первых, является ли обеспечиваемое прикреплением митотическое деление вариантом механизма purse-string или оно в чем-то отлично? Во вторых, оно специфично для этого организма? Об этом позже, а сначала о понятиях, предлагаемых для описания различных форм цитокинеза у Dictyostelium, д.б. идентифицированы и переопределены. Zang et al. называют цитокинез в клетках дикого типа 'cytokinesis A', а тот, что у myosin II-нулевых клеток на субстрате 'cytokinesis B' [10]. Это предложение вполне пригодно, оно указывает на два пути, отличных один от др., но недостатком этих определений заключается в зависимости от определенного белка (т.e. myosin II). Цитокинез B классифицируется так же, как одна из форм traction-mediated cytofission [10], хотя очевидно, что он отличен от оригинального механизма traction-mediated cytofission, который происходит независимо от клеточного цикла. По этим причинам мы переопределили 'cytokinesis B' с функциональной точки зрения как купированный с клеточным циклом зависимый от адгезии цитокинез и предложили новый термин 'cytokinesis C', для описания такого клеточного деления. В этом случае термин cytokinesis B остаётся тем же самым attachment-assisted mitotic cleavage, как предложено Neujahr et al., тогда как cytokinesis C сходен с traction-mediated cytofission, обсуждаемой Spudich, за исключением того, что мы ограничиваем его отнесение к событиям, не связанным с клеточным циклом. Тогда cytokinesis A определяется по-новому как купированный с клеточным циклом независимый от адгезии цитокинез (Рис. 1). Figure 1. Proposed models of the four pathways of cytokinesis in Dictyostelium. The nuclear membrane does not break down during mitosis in Dictyostelium. The bottom row shows proteins that have been implicated in each pathway. Several other proteins are shown to be necessary for efficient cytokinesis in Dictyostelium, but have not been assigned to specific pathways and, therefore, are not shown here. The cytokinesis C pathway is shown at a lower magnification. See text for details. Эти понятия необязательно означают любой специфический процесс в одной из трех ключевых ступеней (определение плоскости деления, образование борозды и разделение), которые составляют цитокинез. Пока они обозначают полные 'наборы' процессов, которые обеспечивают цитокинез. Напр., цитокинез А и В отличаются по ступени образования борозды, но, по-видимому, обладают одинаковыми процессами детерминации плоскости деления и разделения. Mechanism of cytokinesis B Последовательность морфологических изменений, которая происходит во время образования экваториальной борозды у myosin II-нулевых клеток, указывает на то, что область активно контрактирует, управляется с помощью в чем-то менее эффективным контрактильным аппаратом, чем тот, что базируется на myosin II. Gerisch et al. [11], Robinson and Spudich [12] and Robinson [13] полагают, что динамика актиновой цитоскелетной системы играет роль в контракции экваториальной области у myosin II-нулевых клеток. Согласно микроскопическому анализу Zang et al. [10], однако, адгезия с субстратом абсолютно необходима, чтобы сделать даже самую меленькую вмятину в экваториальной плоскости myosin II-нулевых клеток. Это не согласуется с мнением, что myosin II-нулевые клетки делятся автономно за счёт активного сжатия в экваториальной области. Полярный кортекс начинает активно сморщиваться во время анафазы как в диких, так и в myosin II-нулевых клетках, и эта активность сохраняется до тех пор, пока полярные области не станут ведущими краями дочерних клеток, которые мигрируют прочь др. от др. Эта амёбоидная локомоция дочерних клеток, скорее всего, управляется с помощью полимеризации актиновых филамент вдоль ведущих краёв [14], сходным образом с тем, что известен для кератиноцитов рыб [15]. Два полярных ведущих края генерируют противоположные тянущие силы рядом с субстратом во время процесса деления; это продемонстрировано на митотических фибробластах [16], а также на митотических Dictyostelium myosin II-нулевых клетках (S Yumura, personal communication), и очень возможно, что эти силы играют центральную роль разрыве клеток на две [9-11]. Это объяснение впервые предложено Chalkley для цитокинеза у Amoeba proteus [17]. Фенотипический анализ мутантных клеток, дефектных по cytokinesis A, B или обоим, показал, что цитокинез А и В являются генетически раздельными путями [18]. Кроме того, генетическая инактивация или цитокинеза А или В даёт в результате процесс деления, которые морфологически отличны др. от др. Митотические клетки, которые дефектны по цитокинезу А (т.e., myosin II-null) плоские и прилипшие в течение всего процесса деления и имеют U-образную борозду деления. Напротив, дефектные по цитокинезу В клетки отсоединяются от субстрата и становятся более или менее сферическими во время процесса деления, их борозда V-образна, сходна с той, что наблюдается в суспензии клеток дикого типа. Это привело Nagasaki et al. к заключению, что цитокинез А и В два механически отдельных, но параллельных пути, которые ведут клетки к разделению после деления ядра [18]. Цитокинез В отличен от А тем, что два полярных ведущих края генерируют противоположные тянущие силы, которые вызывают пассивную ingression экваториальной области. Морфология процесса разделения у клеток дикого типа на субстрате является гибридной от упомянутых выше двух классов мутаций [18]. Они округляются, отсоединяются от субстрата в начале митоза из-за временного повышения кортикального натяжения; затем, когда они вступают в анафазу, формируется V-образная борозда. Это сходно с мутантами, которые способны выполнять только цитокинез А и это указывает на доминирование цитокинеза А на инициальной фазе цитокинеза. В большинстве случаев, в которых обе дочерние клетки находятся в контакте с субстратом, однако, они повторно распластываются по субстрату до финального разделения и завершают процесс деления способом, напоминающим цитокинез В. Это указывает на то, что клетки дикого типа на субстракте используют цитокинез А и В последовательно. Cytokinesis C Когда крупные, многоядерные, myosin II-нулевые клетки Dictyostelium прикрепляются к субстрату, то они быстро образуют множественные ведущие края и разрывают себя сами на небольшие фрагменты. Возникает вопрос, является ли этот процесс (т.e. цитокинез C) чем-то таким, что появляется только у определенных мутантов Dictyostelium при очень искусственных условиях? Вероятно, нет. Мутантные клетки, лишенные путей и цитокинеза А и В переключаются на цитокинез С (или вообще цитокинез D) для пролиферации. Однако, большинство этих клеток становятся многоядерными, указывая тем самым, что цитокинез C довольно неэффективен. Кроме того, т.к цитокинез С нуждается в меньшем количестве специфических белковых факторов, чем цитокинез А и В [19] (talin A одно из известных исключений [20]), то м. предполагать, что цитокинез C является остатком примитивного метода пролиферации примордиальных эукариотических клеток. Это согласуется с идеей, что подвижность, управляемая полимеризацией актина, была задействована раньше, чем моторные белки [21]. Недавно мы наблюдали, что животные клетки в культуре также подвергаются цитокинез-С подобному делению (Uyeda and Nagasaki, unpublished observation), указывая тем самым, что цитокинез с всё ещё служит как вспомогательный путь в клетках высших животных, а также в клетках Dictyostelium. Сравнение цитокинеза B и C подчёркивает др. важное свойство с клеточным циклом купированного цитокинеза. Когда ведущий край движется прочь от основного тела клетки во время цитокинеза С, то он обычно тянет за собой длинный цитоплазматический шнур, соединяющий его с основным телом клетки [5,7]. Такие нити высоко растяжимы и устойчивы к разрыву, они часто тянутся на десятки микрометров, иногда щелчком возвращая назад для слияния отделившегося фрагмента с основным телом клетки. Это в резком контрасте с областью образования борозды при цитокинезе В, которая как и в случае цитокинеза А редко растягивается более чем на 10 микрометров прежде чем разделиться [7,18]. Некоторые белки участвуют в этом процессе митоз-специфического разделения, который способен эффективно служить цитоплазматическим мостиком, соединяющие дочерние клетки Dictyostelium [22-25]. борозда деления Dictyostelium не имеет midbodies, и процесс разделения Dictyostelium м., следовательно, представлять простейшую и более элементарную версию того, что мы видим в клетках высших животных, которые используют midbodies 26]. Cytokinesis D? Biron et al. сообщили, что эффективный цитокинез у амёбы Entamoeba invadens нуждается в помощи соседних клеток, которые действуют как 'акушерки' [27]. Клетки-акушерки благодаря хемотаксису направляются в направлении экватора митотической клетки, располагаются над межклеточным мостиком между двумя дочерними клетками и, по-видимому, помогают разделить их. Акушерство является, т.о., новым методом завершения цитокинеза, который чётко отличается от типичного процесса деления. Мы [18] и др. [14] наблюдали, что митотические клетки Dictyostelium также привлекают соседние клетки, это м. указывать на то, что и Dictyostelium обладают сходной системой родовспоможения. Акушерство у Dictyostelium впервые было описано в клетках дикого типа на субстрате [18], но оно наблюдается со значительно большей частотой в культурах myosin II-нулевых клеток (Nagasaki and Uyeda, unpublished data). Одним из объяснений этого м.б. то, что процесс деления у myosin II-нулевых клеток более медленный и у них больше возможностей привлечь соседние клетки. Хемоаттрактанты пока не идентифицированы ни в одном из случаев, но некоторое отношение к этому м. иметь экзоцитоз, который стимулируется в области борозды [28-31.]. Процесс родовспоможения, по-видимому, важен для нормальной пролиферации клеток Entamoeba, но не для Dictyostelium, несмотря на то, что пути цитокинеза А и В knocked-out. Когда плотность клеток низка, то жди двойные мутанты делятся неэффективно посредством цитокинеза С, давая высокие пропорции крупных многоядерных клеток. Когда же плотность клеток становится выше, а расстояния между соседними клетками короче, то доминируют моноядерные клетки, по-видимому, из-за повышения эффективности, обеспечиваемой родовспоможением [18]. Мы назвали этот третий путь купированного с клеточным циклом деления 'cytokinesis D'. Значительные филогенетические расстояния между Entamoeba и Dictyostelium указывают на то, что цитокинез D , по-видимому, не ограничивается этими двумя видами. Cytokinesis B in higher animal cells Имеет ли цитокинез B, идентифицированный у Dictyostelium, отношение к др. организмам, в частности к клеткам высших животных? Существует мало сомнений, что myosin II-зависимый purse-string механизм существенен для цитокинеза животных яйцеклеток или зиготических клеток [32-34]. Эти клетки не являются слипчивыми в смысле потребности в myosin II, напоминя ту же самую потребность в клетках Dictyostelium в суспензии (cytokinesis A). Напротив, имеется неожиданно мало доказательств, что myosin II или purse-string механизм, существенные для цитокинеза слипчивых соматических клеток. Напр., микроинъекции ингибирующих антител в эпителиоидные почечные клетки ингибируют морфогенетические движения клеток, но только задерживают цитокинез [35]. Это замедление цитокинеза, когда myosin II ингибирован, напоминает наблюдение, что цитокинез В медленнее цитокинеза А у Dictyostelium [9,18]. Избыточная экспрессия неспособного к фосфорилированию регуляторной легкой цепи myosin II в COS и NRK клетках полностью ингибирует захват рецепторов, но лишь частично ингибирует цитокинез [36]. RNAi-обусловленная супрессия регуляторной легкой цепи myosin II лишь частично ингибирует цитокинез в культивируемых Drosophila S2 клетках [37]. Удаление не мышечной тяжелой цепи myosin II у Drosophila является летальным, но только после ряда успешных цитокинезов, позволяющих эмбрионам развиваться нормально вплоть до нарушений движений слоёв клеток, вызывающих дефекты дорсального закрытия (closure) (обусловленных скорее всего деплецией материнского myosin II) [38]. Хотя эти результаты двусмысленны в отношении потребности в myosin II для цитокинеза. они, по крайней мере, указывают на то, что цитокинез нуждается в меньшей активности myosin II, чем захват рецепторов или морфогенетические клеточные движения. Наиболее ценными доказательствами роли myosin II в цитокинезе слипчивых клеток является ингибирующий эффект blebbistatin, нового ингибитора myosin II, на цитокинез культивируемых тканевых клеток Xenopus и клеток HeLa [39]. Однако, интерпретация этого сообщения д.б. осторожной, частично из-за того, что из двух типов изученных клеток HeLa отсоединяются от субстрата, когда делятся, и значин не м. рассматриваться как действительно адхерентные. Более того, ингибирование myosin II по сообщению ведет к потере полярности фронт-тыл у нейтрофилов [40]. Если полярность полюс-экватор в митотических клетках высших животных также зависит от myosin II, то ингибирование цитокинеза с помощью blebbistatin м.б. не прямым следствием нарушения борозды сужения. Напротив, наблюдения Wang et al. м.б. интерпретированы как указывающие на то, что клетки высших животных способны делиться без myosin II-зависимой контрактильной активности в экваториальной области. В одном из исследований инъекции C3 токсина заставляли слипчивые митотические клетки формировать функциональные эктопические борозды без накопления myosin II. Интерфазные клетки или не слипчивые митотические клетки не отвечают подобным образом [41]. Итак, очевидно, что во время митозов клетки высших животных способны формировать борозды независимо от myosin II, adhesion-зависимым образом, который напоминает цитокинез В у Dictyostelium. Обычно эта активность пространственно супрессируется с помощью rho-зависимой регуляторной системы. Во втором сообщении, cytochalasin D применяли локально к специфическим областям митотических, культивируемых эпителиальных клеток. Воздействие cytochalasin D на экваториальную область не ингибировало процесс деления, а ускоряло его, тогда как воздействие на полярные области полностью ингибировало деление [42]. Эти результаты трудны для интерпретации в контексте простой purse-string модели, но возможны. если цитокинез В является основным путём, с помощью которого эти клетки делятся. Изменения клеточной морфологии и тянущие силы во время цитокинеза фибробластов [16] также ничего не говорят. Burton and Taylor [16] показали клетки, которые сначала пытаются делиться с помощью активных констрикций борозды деления, но во время последующей фазы экваториальные вдавления регрессируют. Т.к. генерируются полярные тянущие силы, то клетки затем удлинялись аксиально без образования четкой борозды и, наконец, разделялись на две. Кажется, что противоположные тянущие силы играют критическую роль в делении этих специфических клеток и по этой интерпретации фибробласты сначала вступают в цитокинез А, а затем после respreading,в цитокинез B, как в случае клеток дикого типа Dictyostelium на субстрате. Conclusions Experimental data are too limited to conclude that the myosin II-dependent purse-string mechanism, or cytokinesis A, is the essential and only method of division in adherent higher animal cells. Clearly, additional critical experiments are needed to assess this point and to investigate the possible role of cytokinesis B in higher animal cells. Broadly speaking, the aim of much biological research is to unveil common themes and fundamental general principles, or to resolve details of specific phenomena in specific types of cells. There is no doubt that these two aims influence one another, and history shows that many of the molecular biological mechanisms discovered using bacteria or lower eukaryotic model organisms has provided a valid framework on which to identify and build common themes that are applicable to higher eukaryotes. This is the reason that many people chose Dictyostelium to study the fundamental mechanisms of cytokinesis. Ironically, however, these studies provided evidence of striking variation from the established common theme, the purse-string model. The midwifery that has been discovered in Entamoeba also presents a fascinating variation. Future studies should provide an answer as to whether these will be new common themes, or just peculiar diversions occurring under the ground.

Цитокинез в клетках животных представлен, по крайней мере, тремя самостоятельными ступенями. Во-первых, плоскость деления предопределяется с помощью митотического веретена. Затем борозда экваториальной области. Наконец, сжатие экваториальной области служит, чтобы дать две отдельные дочерние клетки (scission). Считается, что образование экваториальной борозды управляется myosin II-зависимым активным сжатием контрактильных колец, которые окружают экваториальную область клетки (модель 'purse-string'). Однако, недавние исследования показали, что помимо purse-string механизма, клетки слизистой плесни Dictyostelium discoideum используют др. физически отличный метод для вызывания образования борозды в экваториальной области, и что эти два разных пути служат частично перекрывающимся функциям. Более того, у простейшего Entamoeba invadens выявлен новый метод достижения разделения, использующий родовспоможение ('midwifery.'). С некоторого времени стало известно, что имеется два метода, с помощью которых специфицируется плоскость деления [1], т.о., создается впечатление, что каждая из трёх ключевых ступеней цитокинеза клеток животных заключает в себе множественные пути и процессы.

Efficient cytokinesis of Dictyostelium cells without contractile rings

Dictyostelium растут в качестве гомогенных одноклеточных амёб. Их гаплоидный геном довольно мал и пригоден для разнообразных молекулярно-генетических манипуляций. В отличие от дрожжей, которые в качестве прекрасной модели для изучения многих фундаментальных свойств эукариотических клеток, клтки Dictyostelium движутся, испытывают хемотаксис и делятся подобно лейкоцитам. Эти и др характеристики делают Dictyostelium уникальным превосходящим все модельные организмы для изучения базовых механизмов движения животных клеток [2,3]; он обладат дополнительными уникальными преимуществами для изучения механизмов цитокинеза - множественные, функционально перекрывающиеся пути цитокинеза.

Первые успешные эксперименты, в которых ген или knocked-out или замалчивается с помощью избыточной экспрессии антисмысловой РНК у Dictyostelium были нацелены против единственного гена тяжелой цепи миозина II. Цитокинез оказывался полностью ингибированным у таких myosin II-нулевых клеток в суспензии и это было интерпретировано как доказательство в пользу purse-string модели [4,5]. В отсутствие цитокинеза, myosin II-нулевые клетки в суспензии росли в объёме и накапливали ядра, в результате возникали крупные многоядерные клетки, которые лизировались. Неожиданно эти клетки оказались полностью жизнеспособными на субстрате. Когда крупным, многоядерным клеткам позволяли прилипать к субстрату, то они быстро формировали множественные ведущие края, которые разрывали клетку на множественные фрагменты по способу, непохожему на клеточный цикл. Spudich [6] назвал этот процесс 'traction-mediated cytofission'.

Neujahr et al. более детельно исследовали механизм, с помощью которого myosin II-нулевые клетки Dictyostelium делятся на субстрате и установили, что они также формируют борозду дробления в экваториальной области и делятся после деления ядер. Этот процесс назван 'attachment-assisted mitotic cleavage,' он отличен от traction-mediated cytofission тем, что более тонко связан с клеточным циклом [7,8]. Обеспечиваемое прикреплением митотическое деление является чрезвычайно эффективным и сильным процессом и является главным способом пролиферации myosin II-нулевых клеток, хотя этот процесс протекает вдвое дольше, чем нормальный цитокинез с использованием myosin II [7,9]. Т.о., myosin II-нулевые клетки Dictyostelium являют собой генетическое доказательство модели purse-string, но в то же самое время демонстрируют новый механизм купированного с клеточным циклом зависимого от адгезии цитокинеза, который не зависит от myosin II.

Возникают два вопроса. Во-первых, является ли обеспечиваемое прикреплением митотическое деление вариантом механизма purse-string или оно в чем-то отлично? Во вторых, оно специфично для этого организма? Об этом позже, а сначала о понятиях, предлагаемых для описания различных форм цитокинеза у Dictyostelium, д.б. идентифицированы и переопределены. Zang et al. называют цитокинез в клетках дикого типа 'cytokinesis A', а тот, что у myosin II-нулевых клеток на субстрате 'cytokinesis B' [10]. Это предложение вполне пригодно, оно указывает на два пути, отличных один от др., но недостатком этих определений заключается в зависимости от определенного белка (т.e. myosin II). Цитокинез B классифицируется так же, как одна из форм traction-mediated cytofission [10], хотя очевидно, что он отличен от оригинального механизма traction-mediated cytofission, который происходит независимо от клеточного цикла. По этим причинам мы переопределили 'cytokinesis B' с функциональной точки зрения как купированный с клеточным циклом зависимый от адгезии цитокинез и предложили новый термин 'cytokinesis C', для описания такого клеточного деления. В этом случае термин cytokinesis B остаётся тем же самым attachment-assisted mitotic cleavage, как предложено Neujahr et al., тогда как cytokinesis C сходен с traction-mediated cytofission, обсуждаемой Spudich, за исключением того, что мы ограничиваем его отнесение к событиям, не связанным с клеточным циклом. Тогда cytokinesis A определяется по-новому как купированный с клеточным циклом независимый от адгезии цитокинез (Рис. 1).

Figure 1. Proposed models of the four pathways of cytokinesis in Dictyostelium. The nuclear membrane does not break down during mitosis in Dictyostelium. The bottom row shows proteins that have been implicated in each pathway. Several other proteins are shown to be necessary for efficient cytokinesis in Dictyostelium, but have not been assigned to specific pathways and, therefore, are not shown here. The cytokinesis C pathway is shown at a lower magnification. See text for details.

Эти понятия необязательно означают любой специфический процесс в одной из трех ключевых ступеней (определение плоскости деления, образование борозды и разделение), которые составляют цитокинез. Пока они обозначают полные 'наборы' процессов, которые обеспечивают цитокинез. Напр., цитокинез А и В отличаются по ступени образования борозды, но, по-видимому, обладают одинаковыми процессами детерминации плоскости деления и разделения.

Mechanism of cytokinesis B

Последовательность морфологических изменений, которая происходит во время образования экваториальной борозды у myosin II-нулевых клеток, указывает на то, что область активно контрактирует, управляется с помощью в чем-то менее эффективным контрактильным аппаратом, чем тот, что базируется на myosin II. Gerisch et al. [11], Robinson and Spudich [12] and Robinson [13] полагают, что динамика актиновой цитоскелетной системы играет роль в контракции экваториальной области у myosin II-нулевых клеток. Согласно микроскопическому анализу Zang et al. [10], однако, адгезия с субстратом абсолютно необходима, чтобы сделать даже самую меленькую вмятину в экваториальной плоскости myosin II-нулевых клеток. Это не согласуется с мнением, что myosin II-нулевые клетки делятся автономно за счёт активного сжатия в экваториальной области.

Полярный кортекс начинает активно сморщиваться во время анафазы как в диких, так и в myosin II-нулевых клетках, и эта активность сохраняется до тех пор, пока полярные области не станут ведущими краями дочерних клеток, которые мигрируют прочь др. от др. Эта амёбоидная локомоция дочерних клеток, скорее всего, управляется с помощью полимеризации актиновых филамент вдоль ведущих краёв [14], сходным образом с тем, что известен для кератиноцитов рыб [15]. Два полярных ведущих края генерируют противоположные тянущие силы рядом с субстратом во время процесса деления; это продемонстрировано на митотических фибробластах [16], а также на митотических Dictyostelium myosin II-нулевых клетках (S Yumura, personal communication), и очень возможно, что эти силы играют центральную роль разрыве клеток на две [9-11]. Это объяснение впервые предложено Chalkley для цитокинеза у Amoeba proteus [17]. Фенотипический анализ мутантных клеток, дефектных по cytokinesis A, B или обоим, показал, что цитокинез А и В являются генетически раздельными путями [18]. Кроме того, генетическая инактивация или цитокинеза А или В даёт в результате процесс деления, которые морфологически отличны др. от др. Митотические клетки, которые дефектны по цитокинезу А (т.e., myosin II-null) плоские и прилипшие в течение всего процесса деления и имеют U-образную борозду деления. Напротив, дефектные по цитокинезу В клетки отсоединяются от субстрата и становятся более или менее сферическими во время процесса деления, их борозда V-образна, сходна с той, что наблюдается в суспензии клеток дикого типа. Это привело Nagasaki et al. к заключению, что цитокинез А и В два механически отдельных, но параллельных пути, которые ведут клетки к разделению после деления ядра [18]. Цитокинез В отличен от А тем, что два полярных ведущих края генерируют противоположные тянущие силы, которые вызывают пассивную ingression экваториальной области.

Морфология процесса разделения у клеток дикого типа на субстрате является гибридной от упомянутых выше двух классов мутаций [18]. Они округляются, отсоединяются от субстрата в начале митоза из-за временного повышения кортикального натяжения; затем, когда они вступают в анафазу, формируется V-образная борозда. Это сходно с мутантами, которые способны выполнять только цитокинез А и это указывает на доминирование цитокинеза А на инициальной фазе цитокинеза. В большинстве случаев, в которых обе дочерние клетки находятся в контакте с субстратом, однако, они повторно распластываются по субстрату до финального разделения и завершают процесс деления способом, напоминающим цитокинез В. Это указывает на то, что клетки дикого типа на субстракте используют цитокинез А и В последовательно.

Cytokinesis C

Когда крупные, многоядерные, myosin II-нулевые клетки Dictyostelium прикрепляются к субстрату, то они быстро образуют множественные ведущие края и разрывают себя сами на небольшие фрагменты. Возникает вопрос, является ли этот процесс (т.e. цитокинез C) чем-то таким, что появляется только у определенных мутантов Dictyostelium при очень искусственных условиях? Вероятно, нет.

Мутантные клетки, лишенные путей и цитокинеза А и В переключаются на цитокинез С (или вообще цитокинез D) для пролиферации. Однако, большинство этих клеток становятся многоядерными, указывая тем самым, что цитокинез C довольно неэффективен. Кроме того, т.к цитокинез С нуждается в меньшем количестве специфических белковых факторов, чем цитокинез А и В [19] (talin A одно из известных исключений [20]), то м. предполагать, что цитокинез C является остатком примитивного метода пролиферации примордиальных эукариотических клеток. Это согласуется с идеей, что подвижность, управляемая полимеризацией актина, была задействована раньше, чем моторные белки [21]. Недавно мы наблюдали, что животные клетки в культуре также подвергаются цитокинез-С подобному делению (Uyeda and Nagasaki, unpublished observation), указывая тем самым, что цитокинез с всё ещё служит как вспомогательный путь в клетках высших животных, а также в клетках Dictyostelium.

Сравнение цитокинеза B и C подчёркивает др. важное свойство с клеточным циклом купированного цитокинеза. Когда ведущий край движется прочь от основного тела клетки во время цитокинеза С, то он обычно тянет за собой длинный цитоплазматический шнур, соединяющий его с основным телом клетки [5,7]. Такие нити высоко растяжимы и устойчивы к разрыву, они часто тянутся на десятки микрометров, иногда щелчком возвращая назад для слияния отделившегося фрагмента с основным телом клетки. Это в резком контрасте с областью образования борозды при цитокинезе В, которая как и в случае цитокинеза А редко растягивается более чем на 10 микрометров прежде чем разделиться [7,18]. Некоторые белки участвуют в этом процессе митоз-специфического разделения, который способен эффективно служить цитоплазматическим мостиком, соединяющие дочерние клетки Dictyostelium [22-25]. борозда деления Dictyostelium не имеет midbodies, и процесс разделения Dictyostelium м., следовательно, представлять простейшую и более элементарную версию того, что мы видим в клетках высших животных, которые используют midbodies 26].

Cytokinesis D?

Biron et al. сообщили, что эффективный цитокинез у амёбы Entamoeba invadens нуждается в помощи соседних клеток, которые действуют как 'акушерки' [27]. Клетки-акушерки благодаря хемотаксису направляются в направлении экватора митотической клетки, располагаются над межклеточным мостиком между двумя дочерними клетками и, по-видимому, помогают разделить их. Акушерство является, т.о., новым методом завершения цитокинеза, который чётко отличается от типичного процесса деления. Мы [18] и др. [14] наблюдали, что митотические клетки Dictyostelium также привлекают соседние клетки, это м. указывать на то, что и Dictyostelium обладают сходной системой родовспоможения. Акушерство у Dictyostelium впервые было описано в клетках дикого типа на субстрате [18], но оно наблюдается со значительно большей частотой в культурах myosin II-нулевых клеток (Nagasaki and Uyeda, unpublished data). Одним из объяснений этого м.б. то, что процесс деления у myosin II-нулевых клеток более медленный и у них больше возможностей привлечь соседние клетки. Хемоаттрактанты пока не идентифицированы ни в одном из случаев, но некоторое отношение к этому м. иметь экзоцитоз, который стимулируется в области борозды [28-31.].

Процесс родовспоможения, по-видимому, важен для нормальной пролиферации клеток Entamoeba, но не для Dictyostelium, несмотря на то, что пути цитокинеза А и В knocked-out. Когда плотность клеток низка, то жди двойные мутанты делятся неэффективно посредством цитокинеза С, давая высокие пропорции крупных многоядерных клеток. Когда же плотность клеток становится выше, а расстояния между соседними клетками короче, то доминируют моноядерные клетки, по-видимому, из-за повышения эффективности, обеспечиваемой родовспоможением [18]. Мы назвали этот третий путь купированного с клеточным циклом деления 'cytokinesis D'. Значительные филогенетические расстояния между Entamoeba и Dictyostelium указывают на то, что цитокинез D , по-видимому, не ограничивается этими двумя видами.

Cytokinesis B in higher animal cells

Имеет ли цитокинез B, идентифицированный у Dictyostelium, отношение к др. организмам, в частности к клеткам высших животных? Существует мало сомнений, что myosin II-зависимый purse-string механизм существенен для цитокинеза животных яйцеклеток или зиготических клеток [32-34]. Эти клетки не являются слипчивыми в смысле потребности в myosin II, напоминя ту же самую потребность в клетках Dictyostelium в суспензии (cytokinesis A). Напротив, имеется неожиданно мало доказательств, что myosin II или purse-string механизм, существенные для цитокинеза слипчивых соматических клеток. Напр., микроинъекции ингибирующих антител в эпителиоидные почечные клетки ингибируют морфогенетические движения клеток, но только задерживают цитокинез [35]. Это замедление цитокинеза, когда myosin II ингибирован, напоминает наблюдение, что цитокинез В медленнее цитокинеза А у Dictyostelium [9,18]. Избыточная экспрессия неспособного к фосфорилированию регуляторной легкой цепи myosin II в COS и NRK клетках полностью ингибирует захват рецепторов, но лишь частично ингибирует цитокинез [36]. RNAi-обусловленная супрессия регуляторной легкой цепи myosin II лишь частично ингибирует цитокинез в культивируемых Drosophila S2 клетках [37]. Удаление не мышечной тяжелой цепи myosin II у Drosophila является летальным, но только после ряда успешных цитокинезов, позволяющих эмбрионам развиваться нормально вплоть до нарушений движений слоёв клеток, вызывающих дефекты дорсального закрытия (closure) (обусловленных скорее всего деплецией материнского myosin II) [38]. Хотя эти результаты двусмысленны в отношении потребности в myosin II для цитокинеза. они, по крайней мере, указывают на то, что цитокинез нуждается в меньшей активности myosin II, чем захват рецепторов или морфогенетические клеточные движения.

Наиболее ценными доказательствами роли myosin II в цитокинезе слипчивых клеток является ингибирующий эффект blebbistatin, нового ингибитора myosin II, на цитокинез культивируемых тканевых клеток Xenopus и клеток HeLa [39]. Однако, интерпретация этого сообщения д.б. осторожной, частично из-за того, что из двух типов изученных клеток HeLa отсоединяются от субстрата, когда делятся, и значин не м. рассматриваться как действительно адхерентные. Более того, ингибирование myosin II по сообщению ведет к потере полярности фронт-тыл у нейтрофилов [40]. Если полярность полюс-экватор в митотических клетках высших животных также зависит от myosin II, то ингибирование цитокинеза с помощью blebbistatin м.б. не прямым следствием нарушения борозды сужения.

Напротив, наблюдения Wang et al. м.б. интерпретированы как указывающие на то, что клетки высших животных способны делиться без myosin II-зависимой контрактильной активности в экваториальной области. В одном из исследований инъекции C3 токсина заставляли слипчивые митотические клетки формировать функциональные эктопические борозды без накопления myosin II. Интерфазные клетки или не слипчивые митотические клетки не отвечают подобным образом [41]. Итак, очевидно, что во время митозов клетки высших животных способны формировать борозды независимо от myosin II, adhesion-зависимым образом, который напоминает цитокинез В у Dictyostelium. Обычно эта активность пространственно супрессируется с помощью rho-зависимой регуляторной системы.

Во втором сообщении, cytochalasin D применяли локально к специфическим областям митотических, культивируемых эпителиальных клеток. Воздействие cytochalasin D на экваториальную область не ингибировало процесс деления, а ускоряло его, тогда как воздействие на полярные области полностью ингибировало деление [42]. Эти результаты трудны для интерпретации в контексте простой purse-string модели, но возможны. если цитокинез В является основным путём, с помощью которого эти клетки делятся.

Изменения клеточной морфологии и тянущие силы во время цитокинеза фибробластов [16] также ничего не говорят. Burton and Taylor [16] показали клетки, которые сначала пытаются делиться с помощью активных констрикций борозды деления, но во время последующей фазы экваториальные вдавления регрессируют. Т.к. генерируются полярные тянущие силы, то клетки затем удлинялись аксиально без образования четкой борозды и, наконец, разделялись на две. Кажется, что противоположные тянущие силы играют критическую роль в делении этих специфических клеток и по этой интерпретации фибробласты сначала вступают в цитокинез А, а затем после respreading,в цитокинез B, как в случае клеток дикого типа Dictyostelium на субстрате.

Conclusions

Experimental data are too limited to conclude that the myosin II-dependent purse-string mechanism, or cytokinesis A, is the essential and only method of division in adherent higher animal cells. Clearly, additional critical experiments are needed to assess this point and to investigate the possible role of cytokinesis B in higher animal cells.

Broadly speaking, the aim of much biological research is to unveil common themes and fundamental general principles, or to resolve details of specific phenomena in specific types of cells. There is no doubt that these two aims influence one another, and history shows that many of the molecular biological mechanisms discovered using bacteria or lower eukaryotic model organisms has provided a valid framework on which to identify and build common themes that are applicable to higher eukaryotes. This is the reason that many people chose Dictyostelium to study the fundamental mechanisms of cytokinesis. Ironically, however, these studies provided evidence of striking variation from the established common theme, the purse-string model. The midwifery that has been discovered in Entamoeba also presents a fascinating variation. Future studies should provide an answer as to whether these will be new common themes, or just peculiar diversions occurring under the ground.

Variations on a theme: the many modes of cytokinesisTaro QP Uyeda (t-uyeda@aist.go.jp) and Akira NagasakiCurrent Opinion in Cell BiologyVolume 16, Issue 1 , February 2004, Pages 55-60

Variations on a theme: the many modes of cytokinesis
Taro QP Uyeda (t-uyeda@aist.go.jp) and Akira Nagasaki
Current Opinion in Cell BiologyVolume 16, Issue 1 , February 2004, Pages 55-60