Контрольная точка веретена, также известная как переход от метафазы к анафазе, контрольная точка сборки веретена (SAC), контрольная точка метафазы или митотическая контрольная точка, представляет собой контрольную точку клеточного цикла во время митоза или мейоза, которая предотвращает разделение дуплицированных хромосом (анафазу) до тех пор, пока каждая хромосома не будет должным образом прикреплена к веретену. Для достижения правильной сегрегации две кинетохоры на сестринских хроматидах должны быть прикреплены к противоположным полюсам веретена (биполярная ориентация). Только такой способ прикрепления гарантирует, что каждая дочерняя клетка получит одну копию хромосомы. Определяющей биохимической особенностью этой контрольной точки является стимуляция комплекса, способствующего анафазе, комплексами M-фазы циклин-CDK, что, в свою очередь, вызывает протеолитическую деструкцию циклинов и белков, удерживающих вместе сестринские хроматиды.

Обзор и значение Начало метафазы характеризуется соединением микротрубочек с кинетохорами хромосом, а также выстраиванием хромосом в середине клетки. Каждая хроматида имеет свою собственную кинетохору, и все микротрубочки, связанные с кинетохорами сестринских хроматид, расходятся от противоположных полюсов клетки. Эти микротрубочки притягивают хромосомы к противоположным концам клеток, в то время как сцепление между сестринскими хроматидами противодействует этой силе.

При переходе от метафазы к анафазе эта связь между сестринскими хроматидами разрушается, и разделенные хроматиды вытягиваются к противоположным сторонам клетки с помощью микротрубочек веретена. Хроматиды далее разделяются физическим движением самих полюсов веретена. Преждевременная диссоциация хроматид может привести к неправильной сегрегации хромосом и анеуплоидии в дочерних клетках. Таким образом, задача контрольной точки веретена состоит в том, чтобы предотвратить этот переход в анафазу до тех пор, пока хромосомы не будут должным образом прикреплены, прежде чем сестринские хроматиды разделятся.

Чтобы сохранить идентичность клетки и её правильное функционирование, необходимо поддерживать соответствующее количество хромосом после каждого клеточного деления. Ошибка в создании дочерних клеток с меньшим или большим числом хромосом, чем ожидалось (ситуация, называемая анеуплоидией), может в лучшем случае привести к гибели клетки или, наоборот, может привести к катастрофическим фенотипическим результатам. Примеры включают:

В раковых клетках анеуплоидия является частым явлением, указывающим на то, что эти клетки представляют дефект в механизме, участвующем в сегрегации хромосом, а также в механизме, обеспечивающем правильное выполнение сегрегации. У человека синдром Дауна появляется у детей, несущих в своих клетках одну лишнюю копию хромосомы 21, в результате дефекта сегрегации хромосом во время мейоза у одного из предшественников. Этот дефект приведет к образованию гаметы (сперматозоида или ооцита) с дополнительной хромосомой 21. После оплодотворения эта гамета даст эмбрион с тремя копиями хромосомы 21.

Обнаружение контрольной точки сборки веретена (SAC)

Циркле (в 1970 г.) был одним из первых исследователей, обнаруживших, что, когда хотя бы одна хромосома задерживается в процессе прохождения пути до метафазной пластинки, начало анафазы откладывается на несколько минут после её прибытия. Это наблюдение, вместе с аналогичными, предполагает, что существует механизм контроля при переходе от метафазы к анафазе. При использовании таких препаратов, как нокодазол и колхицин, происходит разборка митотического веретена и блокировка клеточного цикла при переходе от метафазы к анафазе. При использовании этих препаратов (см. обзор Ридера и Палаццо в 1992 г.) предполагаемый механизм контроля получил название Spindle Assembly Checkpoint (SAC, контрольная точка веретена). С тех пор этот регуляторный механизм интенсивно изучается.

С помощью различных видов генетических исследований установлено, что активировать SAC способны различного рода дефекты: деполимеризация веретена, наличие дицентрических хромосом (с двумя центромерами), расхождение центромер в аберрантным путем, дефекты в телах полюсов веретена у S. cerevisiae, дефекты кинетохорных белков, мутации центромерной ДНК или дефекты молекулярных моторов, активных во время митоза. Краткое изложение этих наблюдений можно найти в статье Хардвика и его сотрудников в 1999 г..

Используя собственные наблюдения, Циркле впервые предположил, что «какое-то (…) вещество, необходимое клетке для перехода в анафазу, появляется через несколько минут после С (момент прибытия последней хромосомы на метафазную пластинку), или после резкого изменения цитоплазматического состояния, сразу в С или сразу после С», что позволяет предположить, что эта функция локализована на кинетохорах, не прикрепленных к митотическому веретену. Макинтош расширил это предположение, предполагая, что один фермент, чувствительный к натяжению, расположенный в центромерах, продуцирует ингибитор начала анафазы, когда две сестринские кинетохоры не находятся под биполярным натяжением. Действительно, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что сигнал «ожидание входа в анафазу» производится в основном на неприкрепленных кинетохорах или рядом с ними. Однако первичным событием, связанным с присоединением кинетохоры к веретену, которое способно инактивировать ингибирующий сигнал и снять блокировку метафазы, может быть либо приобретение кинетохорой микротрубочек (как было предложено Ридером и сотрудниками в 1995 г..), или натяжение, стабилизирующее заякоривание микротрубочек на кинетохорах (как предполагают эксперименты, проведенные в лаборатории Никласа). Последующие исследования на клетках, содержащих два независимых митотических веретена в единственной цитоплазме, показали, что ингибитор перехода от метафазы к анафазе генерируется неприкрепленными кинетохорами и не диффундирует свободно в цитоплазме. Тем не менее, в том же исследовании было показано, что, как только переход от метафазы к анафазе инициируется в одной части клетки, эта информация распространяется по всей цитоплазме и может преодолеть сигнал «подождите, чтобы войти в анафазу», связанный с переходом в анафазу. второе веретено, содержащее неприкрепленные кинетохоры.

Справочная информация о дупликации сестринских хроматид, сплоченности и сегрегации

Деление клеток: дублирование материала и распространение в дочерние клетки

Когда клетки готовы к делению, поскольку их размер достаточно велик или они получают соответствующий стимул, они активируют механизм для вступления в клеточный цикл и дублируют большинство органелл во время фазы S (синтеза), включая их центросомы. Поэтому, когда процесс клеточного деления завершится, каждая дочерняя клетка получит полный набор органелл. В то же время во время S-фазы все клетки должны очень точно дублировать свою ДНК — процесс, называемый репликацией ДНК. Как только репликация ДНК завершена, у эукариот молекула ДНК уплотняется и конденсируется, образуя митотические хромосомы, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид, которые удерживаются вместе за счет установления сцепления между ними; каждая хроматида представляет собой законченную молекулу ДНК, прикрепленную через микротрубочки к одной из двух центросом делящейся клетки, расположенных на противоположных полюсах клетки. Структура, образованная центросомами и микротрубочками, называется митотическим веретеном из-за её характерной формы, удерживающей хромосомы между двумя центросомами. Обе сестринские хроматиды остаются вместе до анафазы; в этот момент они отделяются друг от друга и направляются к центросоме, к которой прикреплены. Таким образом, когда две дочерние клетки разделятся в конце процесса деления, каждая из них получит полный набор хроматид. Механизм, отвечающий за правильное распределение сестринских хроматид при клеточном делении, называется сегрегацией хромосом.

Чтобы обеспечить правильное расхождение хромосом, клетки разработали точный и сложный механизм. Во-первых, клетки должны координировать удвоение центросомы с репликацией ДНК, и сбой в этой координации будет генерировать монополярные или мультиполярные митотические веретена, которые обычно вызывают аномальное расхождение хромосом, потому что в этом случае распределение хромосом не будет происходить. сбалансированным образом.

Митоз: прикрепление хромосом к веретену деления и расхождение хромосом

Во время S-фазы центросома начинает удваиваться. Как раз в начале митоза обе центриоли достигают максимальной длины, рекрутируют дополнительный материал и их способность образовывать ядра микротрубочек увеличивается. По мере прогрессирования митоза обе центросомы расходятся, образуя митотическое веретено. Таким образом, митотическое веретено имеет два полюса, от которых исходят микротрубочки. Микротрубочки (МТ) представляют собой длинные белковые филаменты с асимметричными окончаниями: один конец, обозначенный как «минус» (-), относительно стабилен и близок к центросоме, а конец, обозначенный как «плюс» (+), с чередующимися фазами роста и ретракция, исследуя центр клетки в поисках хромосом. Каждая хроматида имеет особую область, называемую центромерой, поверх которой собрана белковая структура, называемая кинетохорой, которая способна стабилизировать плюс-конец микротрубочки. Поэтому, если случайно микротрубочка, исследующая центр клетки, встретится с кинетохорой, может случиться так, что кинетохора захватит её, так что хромосома прикрепится к веретену через кинетохору одной из своих сестринских хроматид. Хромосома играет активную роль в прикреплении кинетохор к веретену. С хроматином связан фактор обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF), который стимулирует цитозольный Ran вблизи хромосомы для связывания GTP вместо GDP. Активированная GTP-связанная форма Ran высвобождает белки, стабилизирующие микротрубочки, такие как TPX2, из белковых комплексов в цитозоле, что вызывает зарождение и полимеризацию микротрубочек вокруг хромосом. Эти микротрубочки, происходящие из кинетохор, наряду с кинезиновыми моторными белками во внешних кинетохорах, облегчают взаимодействие с латеральной поверхностью микротрубочек, происходящих из полюсов веретена. Однако эти боковые крепления нестабильны и должны быть преобразованы в крепление на конце. Преобразование латерального прикрепления в прикрепление концами позволяет преобразовать рост и сжатие плюс-концов микротрубочек в силы, толкающие и тянущие хромосомы для достижения правильной биориентации. Так как бывает, что сестринские хроматиды соединены вместе и обе кинетохоры расположены спина к спине на обеих хроматидах, когда одна кинетохора присоединяется к одной центросоме, сестринская кинетохора становится открытой для центросомы, расположенной на противоположном полюсе; по этой причине в большинстве случаев вторая кинетохора становится связанной с центросомой на противоположном полюсе через её микротрубочки, так что хромосомы становятся «двунаправленными», что является фундаментальной конфигурацией (также называемой амфителической), гарантирующей, что хромосома сегрегация будет происходить правильно, когда клетка будет делиться. Иногда одна из двух сестринских кинетохор может одновременно прикрепляться к MTs, генерируемым обоими полюсами, конфигурация, названная меротелической, которая не обнаруживается контрольной точкой веретена, но может генерировать отстающие хромосомы во время анафазы и, следовательно, анеуплоидию. Меротелическая ориентация (характеризующаяся отсутствием напряжения между сестринскими кинетохорами) часто встречается в начале митоза, но белок Aurora B (киназа, сохранившаяся от дрожжей до позвоночных) обнаруживает и устраняет этот тип закрепления. (Примечание: Aurora B часто гиперэкспрессируется в различных типах опухолей и в настоящее время является мишенью для разработки противоопухолевых препаратов.)

Слипание сестринских хроматид во время митоза

Когезин: белки SMC