От крошечных бактерий до нейронов длиной в несколько дюймов размер имеет значение для работы клеток. Однако вопрос о том, как эти строительные блоки жизни регулируют свой собственный размер, оставался загадкой. Теперь ученые нашли объяснение этого давнего биологического вопроса.

В исследовании, посвященном растущим кончикам растений, исследователи показывают, что клетки используют содержание своей ДНК в качестве внутреннего измерителя для оценки и корректировки своего размера. Работа ученых была опубликована в журнале Science.

Профессор Роберт Сабловски, руководитель группы Центра Джона Иннеса и автор-корреспондент исследования, сказал: «Долгое время предполагалось, что ДНК можно использовать в качестве шкалы для измерения размера клеток, но было неясно, как клетки могут считывать масштабируйте и используйте информацию. Ключ состоит в том, чтобы использовать ДНК в качестве матрицы для накопления нужного количества белка, который затем необходимо разбавить до деления клетки. Приятно встретить такое простое решение давней проблемы».

Средний размер клеток является результатом баланса между тем, сколько клеток растет и как часто они делятся на две части. Давно было ясно, что клетки вырастают до определенного размера, прежде чем делятся. Но ученые не знали, как клетка может узнать, насколько она выросла?

Хорошее место для исследования этого вопроса - меристема побега, растущая верхушка растения, которая поставляет новые клетки для образования листьев, цветов и стеблей. Клетки меристемы постоянно растут и делятся. Их деления часто не равны, производя клетки разного размера. Со временем эти различия должны накапливаться, но клетки меристемы остаются в узком диапазоне размеров в течение длительных периодов времени.

В этом исследовании ученые Центра Джона Иннеса внимательно наблюдали за ростом и делением клеток меристемы с течением времени. Они обнаружили, что хотя клетки могут начать свою жизнь с переменными размерами, к тому времени, когда клетки будут готовы к репликации своей ДНК (необходимый шаг перед делением клеток, поскольку каждой новой клетке нужна собственная копия ДНК), большая часть начальной изменчивости в размерах ячеек исправлено. Затем они наблюдали за белком под названием KRP4, роль которого заключается в задержке начала репликации ДНК, и обнаружили, что независимо от их первоначального размера клетки всегда рождались с одинаковым количеством KRP4.

Это означает, что когда клетка рождается слишком маленькой, она получает более высокую концентрацию KRP4, что задерживает ее продвижение к репликации ДНК, давая время клетке, чтобы догнать другие клетки того же размера. И наоборот, если клетка рождается слишком большой, KRP4 разбавляется, чтобы она могла быстро перейти на следующую стадию без дальнейшего роста. Со временем это удерживает клетки меристемы в узком диапазоне размеров.

Но что гарантирует, что клетки начинаются с одного и того же вещества, отличного от KRP4? Оказалось, что когда клетки делятся, KRP4 «накатывается» на ДНК, которая дается в идентичных копиях каждой новорожденной клетке. Таким образом, начальное количество KRP4 становится пропорциональным содержанию ДНК клетки. Чтобы убедиться, что KRP4 накапливается в материнской клетке пропорционально содержанию ДНК, любой избыток KRP4, не связанный с ДНК, разрушается перед делением клетки другим белком, называемым FBL17.

Математические модели и использование отредактированных генами мутантов с различным количеством этих генетических компонентов подтвердили механизм. Профессор Роберт Сабловски объясняет этот процесс: «Одна загадка, которую нам пришлось решить, - это то, как клетка может узнать, насколько она выросла, когда большинство компонентов клетки увеличиваются вместе в количестве и размере, поэтому их нельзя использовать в качестве фиксированной линейки для измерения размера. Единственным исключением является ДНК, которая существует в клетке в дискретном количестве - ее количество удваивается перед делением клетки, но не меняется с ростом клетки».

Будущие эксперименты будут стремиться объяснить, как именно регуляторный белок KRP4 связывается, а затем отделяется от хромосом во время деления клетки. Исследователи также хотят понять, модулируется ли этот механизм в разных типах клеток для получения разных средних размеров. Полученные данные могут объяснить связь между размером генома и размером клетки - виды с большим геномом и, следовательно, большим количеством ДНК в их клетках, как правило, имеют более крупные клетки. Это особенно важно для сельскохозяйственных культур, многие из которых были отобраны так, чтобы содержать несколько копий геномов их диких предков, что приводит к образованию более крупных клеток и часто более крупных плодов и семян.