Введение в процесс митоза и его регуляцию занимает ключевое место в понимании клеточного цикла и биологии развития. Митоз — это сложный и тщательно координированный процесс деления клетки, при котором формируются две идентичные дочерние клетки, каждая с полным набором хромосом. Центральным регулятором запуска митоза в эукариотических клетках выступает циклин-зависимая киназа (CDK), объединенная с регуляторным субстратом — циклином. Механизмы пространственной и временной организации активации CDK имеют решающее значение для правильного и своевременного прохождения клеточного цикла, но до недавнего времени точная картина этой регуляции оставалась не полностью ясной. Циклин-зависимая киназа выступает главным драйвером перехода клетки из интерфазы в митоз.
На протяжении интерфазы активность циклин-зависимой киназы постепенно увеличивается, достигая пика в поздней стадии G2. В этот момент происходят многочисленные фосфорилирования белков-мишеней, запускающие митотические процессы — конденсацию хромосом, перестройку цитоскелета, формирование веретена деления и модификации ядерной мембраны. Значимость точного контроля активации CDK трудно переоценить: ошибка может привести к геномной нестабильности и развитию патологий, включая рак. Одной из инновационных находок последних исследований стало определение, что первичная активация CDK при вступлении в митоз происходит не в цитоплазме, как это считалось ранее, а в ядре клетки. Изучая модельный организм Schizosaccharomyces pombe (дрожжи деления), исследователи выявили, что CDK сначала активируется в ядре, обеспечивая пространство для интеграции сигналов о состоянии генома непосредственно рядом с ДНК.
Такая локализация критична для осуществления контроля полноты репликации ДНК и устранения повреждений до начала хромосомного разделения. Основная регуляция активности CDK осуществляется посредством циклинов — главным образом циклина B (Cdc13 у дрожжей), а также через посттрансляционные модификации. Одним из важных механизмов является фосфорилирование тирозина 15 (Y15) CDK-1, которое ингибирует его активность. Фермент Wee1 добавляет этот фосфат, а Cdc25 удаляет, создавая два взаимоконтролируемых механизма с положительной обратной связью. Это обеспечивает усиление и устойчивость активации CDK в определённый момент, формируя бифуркационный переключатель, что приводит к бистабильности — системе с двумя устойчивыми состояниями активности CDK: низкой (интерфаза) и высокой (митоз).
Такая бистабильность гарантирует необратимость перехода в митоз и предотвращает колебания клеточного состояния. Что касается пространственной организации, раньше преобладала точка зрения, что активация CDK начинается в цитоплазме, в частности, вблизи центросомы, которая формирует своеобразный сигнальный центр или корзинку для регуляторов митоза. Однако новые эксперименты, основанные на визуализации активности CDK с помощью сенсоров в живых клетках дрожжей, продемонстрировали, что сигнал активации CDK сначала появляется в ядре. Это продемонстрировано за счет использования специально созданных сенсоров, которые меняют свое локализацию в ответ на активность киназы. Нуклеарный сенсор (NucCDK) начинает раскрывать активность CDK раньше, чем цитоплазматический сенсор (CytCDK), указывая на пространственную сложность и упорядоченность в активации CDK.
Последующие исследования выявили, что после начальной ядерной активации CDK происходит экспорт комплекса циклин B–CDK из ядра в цитоплазму. Этот процесс является критически важным для того, чтобы сигнал о начале митоза распространился по всему клеточному объему. В модели дрожжей показано, что без локализации циклина B к центросоме или веретену деления экспорт не происходит, и цитоплазматическая активация CDK блокируется, приводя к разобщению митотической активности между ядерной и цитоплазматической частями клетки. Более того, проведённый анализ динамики активации CDK выявил, что в ядре киназная система обладает более устойчивой бистабильностью и большей устойчивостью к колебаниям концентрации циклина–CDK. В цитоплазме же бистабильность выражена значительно слабее, что свидетельствует о большей гибкости и изменчивости регулирования активности CDK в этой части клетки.
Это позволяет цитоплазме быстро реагировать на ядерные сигналы, поддерживая согласованность клеточного деления. Кроме того, выяснено, что отрицательная регуляция CDK посредством Y15-фосфорилирования и соответствующих обратных связей необходима для стабильности ядерной системы. Мутационные аналоги циклина–CDK без возможности фосфорилирования на Y15 демонстрируют менее четкие переходы между состояниями и нестабильные колебания активности. Исследование роли центросомального компонента Cut12 и киназы Plo1 в дрожжах показывает, что усиление локализации и активности в центросомной области не влияет на срок активации CDK в ядре и начало митоза. Это позволяет предположить, что центросома выполняет роль ретранслятора сигнала, а не первичного инициатора митоза.
Такая организация в значительной мере повышает надежность и точность клеточного деления, предотвращая преждевременный или случайный запуск митоза. Совокупность этих данных позволяет сформировать новую концептуальную схему пространственно-временной регуляции активации CDK при митозе. Ядро играет роль стратегического центра, где концентрация циклина–CDK достигает высоких уровней и запускает устойчивый переключатель активности. После срабатывания этого переключателя внутриклеточная локализация комплекса меняется, происходит экспорт в цитоплазму, где сигнал активируется уже при меньших концентрациях, что способствует своевременному управлению цитоплазматическими событиями митоза. Помимо вклада в базовое понимание биологии клетки, данные открытия имеют потенциальное значение для медицины и биотехнологий.
