Zellteilung: Physikalische Kräfte, die an der Entstehung der mitotischen Spindel beteiligt sind, untersucht: Das Motorprotein Kinesin-5 scheint dabei zu helfen, die Filamente der Spindel durch Drücken oder Verlangsamen zu organisieren | 2020

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Anonim

In der Forschung veröffentlicht 1. Oktober in Developmental Cell Wissenschaftler der Rockefeller-Universität enthüllen neue Einblicke in die mechanischen Kräfte, die Elemente der mitotischen Spindelbildung steuern.

"Wir kennen die meisten beteiligten Proteine ​​und haben ein ziemlich gutes Verständnis für Biologie und Genetik", sagt der Co-Erstautor Scott Forth, ein Postdoc im Labor für Chemie und Zellbiologie unter der Leitung von Tarun Kapoor, der Familie Pels Professor. "Aber wir wissen noch nicht viel über die mechanische Seite der Dinge, und die Zellteilung ist ein sehr mechanischer Prozess."

Die Forscher beschrieben, wie ein Protein namens Kinesin-5 wie eine Art molekularer Motor wirkt, der die Organisation der mitotischen Spindel unterstützt. Letztendlich könnte ihre Arbeit medizinische Auswirkungen haben, da ein besseres Verständnis der Zellteilung zu neuen Krebstherapien führen könnte, die die Fortpflanzung von Tumorzellen behindern.

Die mitotische Spindel enthält Tausende von Mikrotubuli, stabförmige Strukturen mit polarisierten Spitzen, die Biologen als "Plus-Enden" und "Minus-Enden" bezeichnen. Da Mikrotubuli in großer Anzahl nebeneinander existieren, ähnlich wie bei Eisenbahnschienen, bewegen sie sich auf natürliche Weise, verschieben sich und überlappen sich. Um die Spindelmitte herum liegen sie meist in antiparalleler Konfiguration vor, bei der das Plus- und das Minusende in entgegengesetzte Richtungen weisen. In Richtung seiner Pole herrscht die parallele Konfiguration vor, bei der das Plus- und das Minus-Ende in dieselbe Richtung weisen.

Um Chromosomen in die beiden entstehenden Zellen zu trennen, benötigt die Spindel selbst eine bipolare Struktur, und daher müssen die Mikrotubuli so sortiert werden, dass sie mit der langen Achse von Pol zu Pol der Spindel ausgerichtet sind. Diese Aufgabe übernimmt Kinesin-5, das sich an zwei überlappende Mikrotubuli binden kann, diese wie ein Balken im Buchstaben H verbindet und an die entsprechenden Stellen leitet.

In dieser Studie untersuchten die Forscher detailliert die physikalischen Kräfte, die das Motorprotein beim Organisieren der mitotischen Spindel ausübt.

Um die Sortierung durchzuführen, kann Kinesin-5 zwei antiparallele Mikrotubuli verbinden, indem man sie in entgegengesetzte Richtungen drückt, sodass ihre Minus-Enden vom Zentrum der Spindel weg und zu den Polen der Spindel hin wandern. Die Kraft, die Kinesin-5 in diesem Prozess ausübt, wurde bisher nicht gemessen.

Das Team richtete ein Laserlicht auf eine mikroskopisch große Plastikperle, die an einem Paar Mikrotubuli befestigt war, die durch Kinesin-5-Moleküle verbunden waren, und verfolgte ihre Aktivität größer die Kraft. "Auf diese Weise kann die Zelle die benötigte Kraft einstellen, um eine schön ausbalancierte Spindelstruktur aufzubauen", sagt Forth.

Kinesin-5 kann auch parallele Mikrotubuli verbinden, und die Forscher stellten fest, dass es sich in diesem Fall anders verhält. Anstatt eine Druckkraft zu erzeugen, erzeugt es eine Widerstandskraft, die die Bewegung der Mikrotubuli verlangsamen kann. Und auch hier nimmt diese Kraft mit der Länge der Überlappung zwischen den Mikrotubuli zu.

"Wir glauben, dass Kinesin-5 die Fähigkeit besitzt, die Geschwindigkeit von Mikrotubuli zu koordinieren und sie daran zu hindern, zu schnell oder zu langsam zu werden", sagt Forth und vergleicht das Protein mit einem Getriebe in einem Auto. "Es hilft dabei, die Geschwindigkeit und den Ort der Mikrotubuli in der Spindel zu koordinieren und zu steuern." Da viele Kinesin-5-Moleküle zusammenarbeiten, um Mikrotubuli zu lenken, werden sie zur bestimmenden Kraft der Spindelbildung.

"Diese Arbeit stellt einen wichtigen Fortschritt in unseren Bemühungen dar, den dynamischen Spindelapparat von Grund auf aus gereinigten Proteinen aufzubauen", sagt Kapoor, der leitende Autor. "Es zeigt auch, wie nanometergroße Proteine ​​zusammenarbeiten, um komplexe zelluläre Strukturen aufzubauen, die tausendfach größer sind als sie selbst."