Alle thema's

Bulldozer trekt chromosomen uit elkaar

Krachten tijdens celdeling blijken hoger dan gedacht

Deze publicatie is onderdeel van het thema: Leven bouwen met moleculen

Tijdens de celdeling wordt de boel letterlijk uit elkaar getrokken, zodat twee nieuwe cellen ontstaan. Amerikaanse celbiologen publiceerden in Nature Communications hun metingen aan de krachten die daarbij komen kijken. De krachten zijn groter dan werd aangenomen, maar een verklaring hiervoor ontbreekt nog.

door

Het delen van een cel is een intrigerende mix van nauwkeurigheid en fysieke kracht. Van alle chromosomen, die de genetische informatie bevatten, wordt eerst een kopie gemaakt. De twee kopieën, chromatiden, blijven aan elkaar verbonden. Vervolgens moet de genetische informatie precies gelijk worden verdeeld, zodat beide dochtercellen identiek zijn. Voor dat verdelen is kracht nodig. De chromatiden worden namelijk letterlijk uit elkaar getrokken door ‘touwen’. Metingen van een team Amerikaanse celbiologen laten zien dat die kracht groter is dan de gangbare inschattingen.

Mitotic spindle in humane cel

Celdeling in actie. De chromosomen (blauw) zijn verbonden aan de microtubuli (groen) via de kinetochoren (roze). Zodra alles goed vastzit, kan het trekken beginnen. Afunguy via Wikimedia Commons CC0

Het onderzoeksteam van Thomas Maresca, assistant professor celbiologie aan de Universiteit van Massachusetts in Amherst (Verenigde Statem), heeft de krachten gemeten die worden uitgeoefend op de kinetochoren. Dit zijn de eiwitcomplexen die de verbinding vormen tussen de chromatiden en de microtubuli; de ‘touwen’. Er was al eerder gemeten aan deze krachten, maar verschillende experimenten leverden sterk uiteenlopende resultaten op. Maresca en collega’s hebben nu heel uitgebreide metingen uitgevoerd met twee verschillende, goed gekalibreerde sensoren. Beide technieken laten dezelfde uitkomst zien, namelijk dat de kinetochoren een kracht van enkele honderden piconewton (pN) te verduren krijgen.

Hoogstandje

Een piconewton is 0,000000000001 Newton (de eenheid van kracht). Dat is een lastige waarde om je iets bij voor te stellen, maar voor een moleculair proces in een cel is het behoorlijk veel. Ter vergelijking, actinevezels, die betrokken zijn bij onder meer de samentrekking van spiercellen, oefenen een kracht van enkele tientallen piconewton uit. Het is ook hoger dan uit eerder onderzoek naar voren kwam. In het begeleidende persbericht vergelijkt Maresca het mechanisme met een bulldozer: de chromatiden worden met een grote, maar langzame kracht uit elkaar getrokken. Hij stelt ook dat dit resultaat essentieel is om het celdelingsproces beter begrijpen.

Krachten tijdens celdeling impressie

Impressie van de celdeling. Er wordt harder aan de chromosomen getrokken dan we dachten, maar waarom? Beata Edyta Mierzwa/beatascienceart.com via EurekAlert.org

Maar wat het ons precies leert maakt Maresca niet duidelijk, vindt Geert Kops, groepsleider bij het Hubrecht Instituut en hoogleraar moleculaire tumorcelbiologie aan het UMC Utrecht. In Kops’ onderzoek staan celdeling en dan vooral een correcte verdeling van de chromosomen centraal. NEMO Kennislink heeft hem gevraagd de publicatie van commentaar te voorzien. “Ze hebben een technisch hoogstandje verricht, maar bij mij blijft de vraag hangen wat we hieraan hebben. De kracht is groter dan we dachten, maar de auteurs leggen niet goed uit wat dit voor gevolgen heeft voor de celdeling.”

Trekhaak

Kops wijst erop dat de weerstand van het cytoplasma, de oplossing in de cel waar alle moleculen in ronddrijven, niet zo hoog is dat je deze grote kracht nodig hebt om de chromosomen in beweging te krijgen. Dat geven de auteurs overigens zelf ook aan. Volgens hen laten deze metingen zien dat vooral de microtubuli, de ‘touwen’, zelf hard trekken aan het kinetochoor. Maar dat vindt Kops geen nieuws. “We weten al heel lang dat de microtubuli krachten uitoefenen. Ik zie het kinetochoor als een trekhaak die enerzijds de trekkracht van de microtubuli aan moet kunnen en tegelijkertijd een chromatide goed vast moet houden. Blijkbaar moet het kinetochoor een grotere kracht kunnen weerstaan dan we tot nu dachten, maar wat is de biologische relevantie daarvan?”

Wat denkt hij zelf daarover? “Ik zie twee mogelijkheden. De eerste is dat dit nou eenmaal de kracht is die microtubuli door hun structuur uitoefenen. Ze zijn evolutionair gezien heel stabiel. Alle eukaryote cellen gebruiken ze en blijkbaar is die grote kracht geen nadeel. Anders gezegd, er was geen evolutionaire druk om die kracht te verlagen.” Geheel overtuigd klinkt hij overigens niet bij deze uitleg.

Major events in mitosis nl

De belangrijkste stappen tijdens de mitose; het proces waarbij de chromosomen gelijk worden verdeeld over de twee dochtercellen. Mysid/NCBI via Wikimedia Commons CC0

Stabiele uitlijning

“De andere mogelijkheid is dat het daadwerkelijk handig is om zoveel kracht uit te oefenen omdat je daarmee de uitlijning van de chromosomen stabiliseert totdat alle chromatiden aan de juiste microtubuli zijn gebonden. Dat proces luistert heel nauw. Pas wanneer ieder chromatidenpaar aan tegengestelde microtubuli is gebonden, gaan de seinen op groen en kan celdeling plaatsvinden. Het is mogelijk dat je door een sterke kracht op de chromatiden ervoor zorgt dat kleine verstoringen geen effect hebben. De auteurs hinten wel op deze uitleg in hun discussie, maar speculeren niet hoe dit zou moeten werken.”

Kops geeft toe dat het niet eenvoudig is om uit te zoeken waar die grote kracht precies voor dient. “Je moet dan een experiment verzinnen waarbij je in stapjes de uitgeoefende kracht op de kinetochoren vermindert en dan kun je zien of dat een effect heeft op de chromosoomsegregatie. Dat zal heel moeilijk zijn, maar zonder meer inzicht in de rol van de kracht blijft deze uitkomst vooral een getal.”

Bronnen

Anne Ye, et al., Chromosome biorientation produces hundreds of piconewtons at a metazoan kinetochore, Nature Communications, 20 oktober 2016 (open access), doi:10.1038/ncomms13221

Persbericht van de Universiteit van Massachusetts, Amherst, Strong, steady forces at work during cell division