Деление клеток млекопитающих начинается не после достижения ими определённого размера, а на определённом значении скорости роста. Деление клетки — процесс настолько привычный, настолько сам собой разумеющийся, что мало кому приходит в голову задуматься, как же оно происходит. Кажется, учёные знают про клеточное деление всё. Это действительно один из самых исследуемых феноменов в биологии, но при всём повышенном к нему внимании есть много важных вопросов, которые по сей день остаются без ответа. Вот один из них: как клетка узнаёт, когда ей пора делиться? У простых одноклеточных организмов вроде дрожжей с этим более или менее просто: они делятся, когда клетка достигает определённого размера. Но оказывается, что с животными клетками, которые живут в составе сложных многоклеточных организмов, дела обстоят сложнее.
Деление клеток меланомы человека; хромосомы окрашены синим, митохондрии — красным, эндоплазматическая сеть — зелёным. (Фото wellcome images [1].)
Чтобы знать, что заставляет делиться клетки млекопитающих, нужно проследить за ростом индивидуальной клетки. Долгое время это оставалось нерешаемой задачей: просто не было методов, которые позволяли бы следить за динамикой роста отдельных клеток. В 2007 году учёным из Массачусетского технологического института [2] (США) удалось измерить массу отдельной клетки. Спустя несколько лет они модифицировали изобретённый метод так, что теперь можно было не только один раз взвесить клетку, но и наблюдать в реальном времени, как прирастает её масса.
Суть метода состоит в том, что клетка с потоком жидкости движется через узкую трубку и при этом контактирует с крохотным кремниевым кронштейном-кантилевером [3]. Кронштейн совершает колебательные движения, частота которых меняется при контакте с клеткой. Размер клетки можно посчитать из того, насколько сильно она меняет частоту колебаний кронштейна.
Но для самой клетки эта процедура небезопасна, и несколько путешествий через трубку подряд заканчивались её смертью. А чтобы понять динамику роста и соотнести её с клеточным делением, клетку нужно едва ли не постоянно держать на этих «микровесах». В итоге учёные ещё раз модифицировали конструкцию прибора, с тем чтобы героиня исследования могла задерживаться в трубке и получать питательные вещества для роста. Клетки, с которыми велись эксперименты, на определённых этапах клеточного цикла [4] синтезировали флюоресцентный белок, так что можно было сказать, набирает ли клетка всё ещё вес или уже приступила к делению.
Интенсивный клеточный рост происходит в фазе клеточного цикла G1. Следом за ней наступает фаза S, в которой удваивается ДНК. После этого начинается фаза подготовки к клеточному делению. Исследователи пришли к выводу, что у клеток млекопитающих сигналом к делению служит на размер клетки, а темп роста. В течение «первоначально-накопительной» G1-фазы темп роста у клетки увеличивается, и изменения эти происходят по-разному у разных клеток: у одних скорость нарастает быстрее, у других — медленнее. Но к S-фазе изменения темпа роста у разных клеток уравниваются. То есть удвоение генетического материала, предваряющее деление клетки, начинается в момент, когда достигнута какая-то общая величина скорости роста. Легко понять, что масса клеток при этом не обязательно будет одинаковой. После удвоения ДНК темпы роста клеток снова расходятся.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature Methods [5].
Представленный метод позволяет менять условия среды и наблюдать реакцию клетки в течение разных временных промежутков. Таким образом можно, например, проверять действие веществ, замедляющих или ускоряющих размножение клеток (в том числе раковых), и заниматься поиском генов, контролирующих те или иные этапы клеточного цикла.