Как клетки узнают свой размер

С тех пор, как более 350 лет назад ученые открыли клетки под микроскопом, они заметили, что каждый тип клеток имеет характерный размер. Однако вопрос о том, как эти строительные блоки жизни регулируют свой собственный размер, оставался загадкой.

Теперь у ученых есть объяснение этого давнего биологического вопроса. В новом исследовании, ученые показывают, что клетки используют содержание своей ДНК в качестве внутреннего измерителя для оценки и корректировки своего размера.

«Долгое время предполагалось, что ДНК можно использовать в качестве шкалы для измерения размера клеток, но было неясно, как клетки могут считывать масштабировать и использовать информацию. Ключ состоит в том, чтобы использовать ДНК в качестве шаблона для накопления нужного количества белка, который затем необходимо разбавить до деления клетки» — говорит профессор Роберт Сабловски, автор исследования.

Средний размер клеток является результатом баланса между тем, насколько клетки растут и как часто они делятся на две части. Давно было ясно, что клетки вырастают до определенного размера, прежде чем делятся. Но как клетка может узнать, насколько она выросла?

Хорошее место для исследования этого вопроса — так называемая Меристема — растущая верхушка растения, которая поставляет новые клетки для образования листьев, цветов и стеблей.

Клетки меристемы постоянно растут и делятся. Их деления часто не равны, производя клетки разного размера. Со временем эти различия должны накапливаться, но клетки меристемы остаются в узком диапазоне размеров в течение длительных периодов времени.

В новом исследовании биологи из Центра Джона Иннеса внимательно наблюдали за ростом и делением клеток меристемы с течением времени. Они обнаружили, что, хотя клетки могут начать свою жизнь с переменными размерами, к тому времени, когда клетки будут готовы к репликации своей ДНК (необходимый шаг перед делением клетки, поскольку каждой новой клетке нужна собственная копия ДНК), большая часть начальной изменчивости в размерах клеток будет исправлена.

Затем они наблюдали за белком под названием KRP4, роль которого заключается в задержке начала репликации ДНК, и обнаружили, что независимо от первоначального размера клетки всегда рождались с одинаковым количеством KRP4.

Это означает, что когда клетка рождается слишком маленькой, она получает более высокую концентрацию KRP4, что задерживает ее продвижение к репликации ДНК, давая время клетке, чтобы догнать другие клетки того же размера.

И наоборот, если клетка рождается слишком большой, KRP4 разбавляется, чтобы клетка могла быстро перейти на следующую стадию без дальнейшего роста. Со временем это удерживает клетки меристемы в узком диапазоне размеров.

Но что гарантирует, что клетки начинают с того же количества KRP4? Оказалось, что когда клетки делятся, KRP4 «катается» на ДНК, которая дается в идентичных копиях каждой новорожденной клетке. Таким образом, начальное количество KRP4 становится пропорциональным содержанию ДНК клетки.

Чтобы убедиться, что KRP4 накапливается в материнской клетке пропорционально содержанию ДНК, любой избыток KRP4, не связанный с ДНК, разрушается перед делением клетки другим белком, называемым FBL17. Математические модели и использование отредактированных генами мутантов с различным количеством этих генетических компонентов подтвердили механизм.

Профессор Роберт Сабловски объясняет этот процесс: «Одна загадка, которую мы должны были решить, заключается в том, как клетка может узнать, насколько она выросла, когда большинство компонентов клетки увеличиваются вместе в количестве и размере, поэтому их нельзя использовать в качестве фиксированной линейки Единственным исключением является ДНК, которая существует в клетке в дискретном количестве — ее количество удваивается до деления клетки, но не меняется с ростом клетки».

Полученные данные могут объяснить связь между размером генома и размером клетки — виды с большим геномом и, следовательно, большим количеством ДНК в их клетках, как правило, имеют более крупные клетки.

Это особенно важно для сельскохозяйственных культур, многие из которых были отобраны так, чтобы содержать несколько копий геномов, присутствующих у их диких предков, что приводит к более крупным клеткам и часто более крупным плодам и семенам. Компоненты генетического механизма, который включает KRP4, присутствуют во многих организмах, и было высказано предположение, что эти компоненты важны для регулирования размера клеток в клетках человека.

Таким образом, механизм, раскрытый в исследовании, также может иметь значение для разных биологических царств, что может быть важно для биологии клеток животных и человека.

Исследование было опубликовано в журнале Science.