Keling molekuler untuk transmisi gaya jarak jauh

Anonim

Para peneliti dari Mechanobiology Institute, Singapura (MBI) di National University of Singapore telah menjelaskan, untuk pertama kalinya, bagaimana plastin, protein aktin-bundling, bertindak sebagai keling molekul, menyediakan konektivitas global ke korteks yang mendasari membran plasma dari sel embrio untuk memfasilitasi polarisasi dan pembelahan sel. Pekerjaan itu diterbitkan dalam Journal of Cell Biology pada 11 April 2017.

Plastin mempromosikan polarisasi dan sitokinesis dalam zigot C. elegans

Semua organisme multisel memulai hidupnya ketika sel sperma bergabung dengan oosit. Zigot yang baru dibuahi kemudian harus menjalani pembelahan sel yang tak terhitung jumlahnya karena membentuk embrio. Beberapa divisi simetris dan menghasilkan dua sel anak perempuan identik dalam proses yang dikenal sebagai sitokinesis. Yang lain asimetris, dan mengakibatkan sel anak yang tidak sama yang berdiferensiasi menjadi tipe sel yang berbeda dengan fungsi khusus. Sebelum pembagian asimetris, sel-sel ini menjalani proses yang dikenal sebagai polarisasi, di mana bagian atas atau depan sel berisi seperangkat struktur dan mesin berbasis protein yang berbeda ke bagian bawah atau belakang sel.

Kedua sitokinesis dan polarisasi didorong oleh komponen kontraktil sel yang disebut korteks. Lapisan tipis ini terletak di dalam sel, berbatasan langsung dengan membran plasma dan terutama terdiri dari filamen aktin (F-aktin), yang merupakan struktur seperti kabel yang secara dinamis dirakit dan dibongkar, dan mempertahankan bentuk sel. Korteks juga mengandung protein motor non-otot myosin II, yang memberikan kontraktilitas ke jaringan, dan protein pengikatan aktin lain seperti yang mengikat filamen bersama atau memfasilitasi perakitan filamen baru. Meskipun pengaturan struktural dari korteks yang mapan, tidak jelas bagaimana semua protein ini bekerja bersama dalam organisme hidup untuk menghasilkan struktur berdasarkan aktin yang lebih tinggi, dan mengirimkan kekuatan mekanik selama proses perkembangan yang penting.

Untuk menyelidiki pertanyaan-pertanyaan ini, tim ilmuwan interdisipliner dari MBI, Institut Biologi Molekuler dan Seluler A * STAR, dan Laboratorium Biologi Molekuler Eropa, memeriksa korteks dalam organisme yang sedang berkembang, khususnya, Caenorhabditis elegans (C. elegans), yang cacing nematoda transparan 1mm panjang. Apa yang menjadi jelas dari penyelidikan, yang dipimpin oleh Asisten Profesor Ronen Zaidel-Bar, adalah peran penting dari protein pengikat aktin yang disebut plastin (alias fimbrin) dalam perkembangan awal C. elegans.

Plastin mengikat filamen aktin untuk memfasilitasi bundling dan memperkuat jaringan filamen aktin sehingga dapat menahan kekuatan yang dihasilkan selama kontraksi filamen, dan juga yang diterapkan pada korteks dari rangsangan eksternal. Dengan berfungsi sebagai keling molekul, plastin memungkinkan korteks sel berfungsi secara efisien, sehingga memfasilitasi polarisasi dan sitokinesis. Menggunakan pendekatan mikroskopi, genetik dan pemodelan komputer, para peneliti memeriksa korteks sel selama tahap awal perkembangan C. elegans, dengan fokus khusus pada plastin. Meskipun upaya sebelumnya telah mengidentifikasi plastin dalam korteks, tidak ada yang mengungkapkan kepentingannya sepenuhnya dalam pengembangan embrio.

Untuk memulai penyelidikan, kandidat MBI PhD, Mr Ding Wei Yung memeriksa zigot dari strain mutan C. elegans di mana fungsi plastin telah hilang. Dalam zigot ini, baik polarisasi dan sitokinesis terganggu sampai pada titik dimana keduanya tidak terjadi, atau secara signifikan tertunda. Dengan kemampuan untuk mengamati bagaimana C. elegans terbentuk dengan plastin bermutasi, para peneliti mengalihkan perhatian mereka untuk memeriksa kontraktilitas dalam korteks, selama perkembangan C. elegans.

Untuk melakukan ini, para peneliti memeriksa organisasi dan dinamika non-otot myosin II di korteks selama polarisasi. Pada zigot normal, protein motor myosin akan berakumulasi menjadi kelompok besar yang menghasilkan kekuatan kontraktil yang besar. Namun, ketika fungsi plastin hilang, para peneliti mencatat bahwa myosin tidak menumpuk dalam kelompok seperti yang terjadi pada sel normal. Ini berarti bahwa kontraksi yang dihasilkan jauh lebih lemah dibandingkan sel normal. Pada akhirnya, hilangnya kontraksi kortikal yang kuat dan terkoordinasi pada embrio cacing mutan plastin menghasilkan polarisasi yang cacat. Hal ini terbukti dari pemisahan dua protein yang terkumpul yang sebaliknya akan berakumulasi pada kedua ujung sel ketika mereka mengalami polarisasi.

Para penulis kemudian memperpanjang penyelidikan mereka di luar polarisasi dan melihat peran plastin dalam sitokinesis. Dalam zigot yang sehat, filamen aktin, bersama dengan non-otot myosin II, akan terakumulasi di tengah sel-sel yang membelah. Dari sana mereka secara efektif menarik membran ke dalam sehingga sisi-sisi yang berlawanan dari sel bertemu dan menyatu, sehingga menciptakan dua sel. Ini tidak terjadi pada tingkat yang sama dalam sel yang mengandung plastin bermutasi, dan ditentukan bahwa plastin memfasilitasi akumulasi protein dalam posisi yang benar.

Untuk lebih memahami mengapa plastin-mediated cross-linking filamen actomyosin memiliki efek ini pada polarisasi sel dan sitokinesis, tim beralih ke pemodelan matematika. Secara khusus, mereka menguji apakah peningkatan konektivitas antara plastin dan actomyosin saja sudah cukup untuk mendorong kontraktilitas kortikal jarak jauh. Simulasi ini menunjukkan level optimal dari crosslinking plastin yang diperlukan untuk memfasilitasi proses ini, dan mengindikasikan bahwa terlalu sedikit atau terlalu banyak ikatan silang akan menghasilkan jaringan F-actin yang terlalu terputus atau terlalu kaku. Dalam kedua kasus, hasil akhirnya adalah kontraktilitas yang melemah. Untuk mengkonfirmasi bahwa ini benar dalam organisme hidup, tim meningkatkan kadar plastin dalam zigot C. elegans yang sehat, dan menemukan bahwa memang, memiliki terlalu banyak plastin secara substansial memperlambat sitokinesis.

Embriogenesis membutuhkan pembangkitan dan transmisi gaya yang kuat yang mendorong proses seluler penting seperti polarisasi dan sitokinesis. Temuan yang disajikan dalam pekerjaan ini menjelaskan peran plastin sebagai keling molekul untuk memfasilitasi polarisasi kuat dan sitokinesis tepat waktu. Penemuan ini lebih lanjut menunjukkan pentingnya organisasi ordo tinggi dari sitoskeleton actomyosin dan peran protein pengikat aktin, seperti plastin, dalam mengatur fungsinya.

menu
menu