Изучение взаимодействия кинетохоров хромосом с микротрубочками (1103003)
Текст из файла
На правах рукописиЕФРЕМОВАртем КонстантиновичИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИНЕТОХОРОВХРОМОСОМ С МИКРОТРУБОЧКАМИ03.00.02 – биофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 20081Работа выполнена в Государственном учрежденииГематологический Научный Центр Российской Академии Медицинских Наук.Научный руководительдоктор биологических наук, профессор–Фазоил Иноятович АтауллахановОфициальные оппонентыдоктор биологических наук, профессор–Иван Андреевич Воробьевдоктор физико-математических наук, доцентВавилин Василий АлександровичВедущая организация – институт теоретической и экспериментальной биофизики РАНЗащита состоится«22» мая2008г.в18:00часовна заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственном университете имени М.В.
Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ имениМ.В.Ломоносова, физический факультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотекефизического факультета МГУ им. ЛомоносоваАвтореферат разослан«22» апреля 2008 г.Ученый секретарьдиссертационного советадоктор физико-математических наук, доцентХомутов Г.Б.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Микротрубочки – биополимеры цитоскелета, играющие важнуюроль в жизни клетки.
Они активно участвуют в поддержании формы клетки и транспортнойсистеме. Но самая важная функция микротрубочек – распределение точных копий генетического материала по дочерним клеткам во время деления клетки – митоза. Для решения этойзадачи природа в течение эволюции создала специальный белковый комплекс, собирающийся на центромерном участке каждой хроматиды, – кинетохор. За него во время митозамогут зацепляться микротрубочки, участвующие в транспорте хромосом. Раньше считалось,что за перемещение хромосом в митозе отвечают моторные белки на кинетохоре, а кинетохорные микротрубочки просто играют роль «рельсов» по которым идут эти белки.
Однаконедавно было показано, что это не так – для транспорта хромосом во время митоза необходимо и достаточно только динамической нестабильности микротрубочек. Основа этого явления состоит в том, что микротрубочка может находиться в двух состояниях – быстройразборки или медленного роста. Причем переход из одного состояния в другое являетсяслучайным процессом у свободных микротрубочек. Сокращающаяся микротрубочка, зацепленная за кинетохор, тянет за собой хромосому, в то время как растущая микротрубочка наоборот толкает хромосому. То, что микротрубочки действительно могут создавать силыдостаточные для движения хромосом во время митоза, было показано экспериментально.Однако до сих пор ни одна из существующих моделей взаимодействия кинетохора и микротрубочки не может полностью описать их структурные данные и динамические характеристики, полученные в недавних экспериментах, несмотря на частичные успехи этих моделей.Целью данной работы было теоретическое и экспериментальное исследование механизма движения кинетохорного Dam1 комплекса, ответственного за взаимодействие микротрубочек с кинетохорами хромосом и образующего кольца вокруг микротрубочек.Задачи исследования:1.
Создать количественную модель микротрубочки, основываясь на последних данных оее структуре и кинетики деполимеризации. При этом модель должна включать в себя тепловые флуктуации, которые не были учтены ни в одной предшествующей модели микротрубочки.2. Создать и объединить с моделью микротрубочки модель кинетохорных белковых ком-плексов, взаимодействующих с микротрубочкой, основываясь на их структурных и динами3ческих данных.3.
С помощью получившейся математической модели определить, какими свойствамидолжны обладать кинетохорные белки, взаимодействующие с микротрубочкой, для наиболее эффективного развития тянущей силы деполимеризующейся кинетохорной микротрубочкой.4. Понять, как удается кинетохорным белковым комплексам быть сильно связанными смикротрубочкой и при этом быстро передвигаться.5. Экспериментально определить по какому из известных теоретических механизмовпроисходит движение кинетохора во время деления клетки.Научная новизна.
Впервые была разработана наиболее полная модель кинетохора и еговзаимодействия с микротрубочкой, включающая в себя все известные на сегодняшний деньструктурные и динамические экспериментальные данные. В результате введения дополнительной гипотезы в модель о существовании подвижных белковых мостиков – линкеров укинетохора, ответственных за связывание со стенкой микротрубочки, впервые было показано, каким образом удается совместить высокую эффективность движения кинетохора вдольмикротрубочки с сильным связыванием кинетохора и микротрубочки. Этого свойства кинетохора до сих пор не могла объяснить ни одна существующая на сей день математическаямодель. Не смотря на такое чисто теоретическое предположение, подобные линкеры былисовсем недавно обнаружены на электронных фотографиях [Wang 2007], что свидетельствуетв пользу созданной нами модели.
Сравнение результатов модели с существующими экспериментальными данными по динамике кинетохорного белкового комплекса, ответственногоза зацепление хромосомы к микротрубочкам, показало, что в природе реализуется силовоймеханизм движения (power stroke mechanism) кинетохора при разборке микротрубочки, а немеханизм диффузии со смещением (biased diffusion mechanism). Этот результат также подтверждается проведенными мной экспериментальными исследованиями. Кроме того теоретические расчеты показали, что кинетохор движется наподобие моторных белков – его линкеры перешагивают из одного сайта взаимодействия на микротрубочке в другой, используявместо энергии АТФ энергию упругих напряжений, запасенную в стенке микротрубочки.Подобный механизм движения до сих пор не был никем описан.
Кроме того было экспериментально показано существование in vitro никем ранее не описанных структур, образуемыхкинетохорными белковыми комплексами на микротрубочках. Эти структуры обладают ки4нетическими свойствами, сильно отличающимися от свойств ранее обнаруженных белковыхкомплексов.Научно-практическое значение.
Исследование механизмов, участвующих в деленииклеток, очень важно при изучении развития раковых заболеваний. Знание процессов, протекающих во время митоза и принципов их действия, может помочь в создании антираковыхпрепаратов и методик лечения. Результатом данной работы является вклад в понимание механизма движения и взаимодействия кинетохора с микротрубочкой, а также выяснение механизма генерации сил, развиваемых кинетохорными микротрубочками во время деленияклетки.Положения, выносимые на защиту:1. Создана оригинальная математическая модель взаимодействия микротрубочки и кине-тохора, хорошо согласующаяся со всеми существующими экспериментальными данными.2. С помощью полученной математической модели определены необходимые свойствакинетохорных белков, связывающихся с микротрубочкой, для обеспечения наиболее эффективного функционирования кинетохора.3.
Показано, каким образом можно совместить в кинетохоре два противоречивых свойст-ва – сильное связывание с микротрубочкой и высокую подвижность.4. Экспериментально определен механизм, по которому происходит движение кинетохо-ра во время деления клетки.5. Экспериментально показано существование ранее никем не описанных структур, обра-зуемых кинетохорными белковыми комплексами на микротрубочках. Эти структуры обладают кинетическими свойствами, сильно отличающимися от свойств ранее обнаруженныхбелковых комплексов.Апробация работы состоялась 13-ого марта 2008 г.
на заседании проблемной комиссии«Биохимия, биофизика и реология крови» в Гематологическом Научном Центре РАМН.Материалы диссертации докладывались на III съезде биофизиков России (Воронеж, 24-29июня 2004); 46-ой и 47-ой конференциях annual ASCB meeting (December 9-13, 2006, San Diego, CA и December 1-5, 2007, Washington, DC); конференции молодых ученых "Биология наука XXI века" (29 октября - 2 ноября, 2007, Пущино).Публикации. По материалам диссертации опубликованы тезисы в сборниках 5-и конференций и 2статей.5Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав, библиографического указателя, включающего106 источников.
Работа выполнена на базе Гематологического Научного Центра РАМН влаборатории физической биохимии системы крови (зав. лабораторией проф. АтауллахановФ.И.) и в Университете штата Колорадо, США (зав лабораторией проф. Ричард Макинтош).СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫМатериалы и методы. Модель микротрубочки. За основу была взята модель микротрубочки из статьи [Molodtsov 2005a] с небольшими изменениями, описанными ниже. В этоймодели рассматривается микротрубочка, состоящая из 13 протофиламентов с 3-х заходнойспиралью, ось микротрубочки направлена вдоль оси z.
Считалось, что каждый протофиламент все время находится в плоскости, проходящей через ось микротрубочки и начальноевертикальное положение протофиламента. Это предположение не ограничивает применение модели, т.к. наэлектронных томограммах видно, что протофиламентыпрактически полностью лежат в таких плоскостях.Конформационное изменение формы протофиламентапри выгибании из стенки микротрубочки происходитблагодаря изгибанию между α и β субъединицами внутри димеров тубулина и наклону между соседними диРис.1.
Схематическое изображение положения силовых центров в модели.мерами тубулина [Nicholson 1999, Gigant 2000, Steinmetz 2000]. Поэтому в модели протофиламенты состояли из твердых сферических мономеров одинаковогодиаметра (4 нм), которые могут наклоняться друг относительно друга. Предполагалось, чтокаждый мономер имеет четыре точки взаимодействия с соседними мономерами. Две из нихсоответствуют взаимодействию «голова к хвосту», это связи мономеров внутри протофиламентов (темно-серые кружочки на рис.
1). Две другие – по бокам, соответствующие боковым связям мономеров внутри стенки микротрубочки (светло-серые кружочки на рис. 1).Как и в статьях [Molodtsov 2005a, 2005b] считалось, что все взаимодействия между мономерами одинаковы для α- и β-мономеров.Координаты первого мономера в каждом протофиламенте были зафиксированы.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
