Ανακαλύφθηκε νέος μηχανισμός κυτταρικής διαίρεσης στην πρώιμη εμβρυϊκή ανάπτυξη

Η κυτταρική διαίρεση είναι μια θεμελιώδης διαδικασία για τη ζωή στη Γη, ωστόσο οι ακριβείς μηχανισμοί που διέπουν αυτή τη διαδικασία κατά την πρώιμη εμβρυϊκή ανάπτυξη παραμένουν ασαφείς, ειδικά για τα είδη που γεννούν αυγά. Ερευνητές από την ομάδα του Brugués στο Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας της Δρέσδης αποκάλυψαν έναν νέο μηχανισμό που εξηγεί πώς τα πρώιμα εμβρυϊκά κύτταρα μπορούν να διαιρούνται χωρίς να σχηματίζουν έναν πλήρη συσπαστικό δακτύλιο, ο οποίος παραδοσιακά θεωρείται απαραίτητος για αυτή τη διαδικασία. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, αμφισβητούν την παραδοσιακή αντίληψη της κυτταρικής διαίρεσης, αποκαλύπτοντας πώς μέρη του κυτταροσκελετού και οι υλικές ιδιότητες του κυτταρικού εσωτερικού συνεργάζονται για να προωθήσουν τη διαίρεση μέσω ενός μηχανισμού ‘ratchet’.

Η παραδοσιακή θεωρία και οι εξαιρέσεις της

Στις περισσότερες οργανισμούς, τα κύτταρα διαιρούνται σχηματίζοντας έναν συσπαστικό δακτύλιο από μια δομική πρωτεΐνη, γνωστή ως ακτίνη, στον ισημερινό του κυττάρου. Αυτός ο δακτύλιος συσπάται όπως μια τσάντα, πιέζοντας τα περιεχόμενα του κυττάρου και οδηγώντας στη δημιουργία δύο νέων κυττάρων. Ωστόσο, αυτό το μοντέλο δεν ισχύει για είδη με πολύ μεγάλα εμβρυϊκά κύτταρα, όπως καρχαρίες, πλατύπους, πουλιά και ερπετά. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ο δακτύλιος ακτίνης δεν μπορεί να κλείσει πλήρως λόγω του τεράστιου μεγέθους του κυττάρου και του μεγάλου κρόκου. Πώς ακριβώς συμβαίνει η κυτταρική διαίρεση σε αυτά τα οργανισμούς παρέμενε ένα ανοιχτό ερώτημα μέχρι τώρα.

Πειράματα και ανακαλύψεις

«Με έναν τόσο μεγάλο κρόκο στο εμβρυϊκό κύτταρο, υπάρχει μια γεωμετρική περιοριστικότητα. Πώς μπορεί μια συσπαστική ταινία με χαλαρούς άκρους να παραμείνει σταθερή και να δημιουργήσει αρκετή δύναμη για να διαιρέσει αυτά τα τεράστια κύτταρα;» αναρωτήθηκε η Άλισον Κίκουθ, πρόσφατη απόφοιτος διδακτορικού από την ομάδα Brugués και κύρια συγγραφέας της μελέτης. Οι πειραματικές τους εργασίες, που δημοσιεύθηκαν σε μια σημαντική νέα μελέτη στο Nature, προσέφεραν μια απάντηση σε αυτό το ερώτημα.

Οι επιστήμονες μελέτησαν τα έμβρυα ζεβρακιών, τα οποία διαιρούνται γρήγορα και διαθέτουν το χαρακτηριστικό των μεγάλων, γεμάτων κρόκων κυττάρων κατά την πρώιμη ανάπτυξη. Με την ακριβή κοπή της ταινίας ακτίνης με λέιζερ, η Άλισον παρατήρησε ότι η ταινία συνέχιζε να εισέρχεται παρά το ότι είχε κοπεί, υποδηλώνοντας ότι τα σημεία στήριξης ήταν κατανεμημένα κατά μήκος της ταινίας, αντί να βρίσκονται μόνο στις άκρες. Επίσης, φάνηκε ότι οι μικροσωληνίσκοι, ένα άλλο βασικό μέρος του κυτταροσκελετού, φάνηκε να λυγίζουν και να διασπώνται ως αντίδραση στις κοπές του λέιζερ, παίζοντας κρίσιμο ρόλο στη σταθεροποίηση της ταινίας κατά τη διάρκεια της συστολής.

Η σημασία των μικροσωληνίσκων

Για να διευκρινίσουν τον ρόλο των μικροσωληνίσκων σε αυτή τη διαδικασία, οι συγγραφείς τους διατάραξαν σε δύο ξεχωριστά πειράματα: μέσω χημικής αποπολυμεροποίησης (σταματώντας ουσιαστικά το σχηματισμό νέων μικροσωληνίσκων) και μέσω φυσικής διατάραξης χρησιμοποιώντας ένα εμπόδιο, σε μορφή μικροσκοπικής σταγόνας λαδιού. Χωρίς μικροσωληνίσκους, η ταινία ακτίνης κατέρρευσε, αποδεικνύοντας ότι οι μικροσωληνίσκοι είναι απαραίτητοι για τη στήριξη της ταινίας και παρέχουν τόσο μηχανική υποστήριξη όσο και σήματα κατά τη διάρκεια του σχηματισμού της.

Οι αλλαγές στο κυτταροσκελετό είναι γνωστό ότι συμβαίνουν και σε άλλα είδη καθώς προχωρούν οι κυτταρικοί κύκλοι. Σημαντικά, ο κυτταρικός κύκλος χωρίζεται σε διακριτές φάσεις δραστηριότητας: μια μιτωτική φάση (M-phase) όπου διαιρείται το DNA, και μια μεσοφασική φάση, όπου ένα τυπικό κύτταρο αναπτύσσεται και αναπαράγει το DNA του. Μετά τη διαίρεση του DNA, μεγάλες δομές που αποτελούνται από μικροσωληνίσκους, γνωστές ως αστέρες, αναπτύσσονται για να καλύψουν ολόκληρο το κυτταρόπλασμα. Αυτοί οι αστέρες είναι απαραίτητοι κατά τη διάρκεια της μεσοφασικής φάσης για να αποφασίσουν πού θα σχηματιστεί η ταινία ακτίνης και θα αρχίσει να συσπάται, καθορίζοντας το μελλοντικό επίπεδο διαχωρισμού.

Δεδομένου ότι οι μικροσωληνίσκοι είναι γνωστό ότι σκληραίνουν το κυτταρόπλασμα σε διάφορα κυτταρικά συμφραζόμενα, οι συγγραφείς επιδίωξαν να εξερευνήσουν αν οι αστέρες θα συμβάλλουν στην στήριξη για να βοηθήσουν στην αγκύρωση της ταινίας ακτίνης. Για να το ερευνήσουν, οι συγγραφείς χρησιμοποίησαν μαγνητικές χάντρες και παρατήρησαν την εκτόπισή τους υπό μαγνητικές δυνάμεις. Αυτά τα πειράματα επέτρεψαν στους επιστήμονες να μετρήσουν τις αλλαγές στην σκληρότητα του κυτταροπλάσματος κατά τη διάρκεια των σταδίων του κυτταρικού κύκλου.

Ανακάλυψαν ότι το κυτταρόπλασμα γίνεται πιο σκληρό κατά τη διάρκεια της μεσοφασικής φάσης, λειτουργώντας ως στήριγμα για να σταθεροποιήσει την ταινία ακτίνης.