Основной является гипотеза параллелизма МТ и микрофибрилл целлюлозы (МФЦ). По этой теории, МТ, тесно связанные с плазмалеммой, образуют барьеры (дорожки) которые отграничивают («стесняют») направление перемещения комплексов целлюлоза-синтетазы, вставленных в плазматическую мембрану, во время отложения цепочек целлюлозы в клеточной стенке.
Однако есть данные, которые указывают, что хорошо организованные МФЦ могут формироваться в отсутствие МТ. Поэтому была предложена матричная гипотеза (templated incorporation model), согласно которой МФЦ прикрепляются к скэффолду, отложенному при участии МТ. Поэтому МФЦ могут откладываться по направлению заданному скэффолдом независимо от отсутствия или присутствия кортикальных МТ.
Целлюлоза не секретируется клеткой, а синтезируется при участии крупных трансмембранных белковых комплексов, встроенных в плазматическую мембрану. Этот комплекс (целлюлоза-синтетаза – CSC – Cellulose Synthase Complex) представляет собой гексагональную розетку 25 нм в диаметре. Каждая розетка состоит примерно из 36 каталитических субъединиц белка CESA (белок существует в виде не менее трех изоформ). Продукт слияния CESA6 с YFP позволил пронаблюдать взаимоотношения МТ с комплексом целлюлоза-синтетазы в живых клетках (СЛАЙД из Paredez et al., 2006). Комплекс CESA6-YFP локализовался в плазматической мембране в виде линейно уложенных частиц. Эти частицы перемещались вдоль линейных траекторий с постоянной скоростью, причем их траектория совпадала с траекториями расположения МТ. Более того, если МТ деполимеризовались, паттерн CESA6-YFP координированно изменялся, при этом полимеризация МТ всегда предшествовала новой организации и новым траекториям частиц. Колокализация CESA6-YFP с МТ наблюдалась часто (в 60% случаев), но не всегда. Это неудивительно, если принимать во внимание большие различия в динамических свойствах обеих систем. Динамическое состояние МТ меняется намного быстрее, оставляя CESA6-YFP комплексы свободными. При этом, сами комплексы не утрачивают способности к перемещению даже после того, как потеряли связь со своими МТ.
СПОСОБЫВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРОТРУБОЧЕК И ЦЕЛЛЮЛОЗА-СИНТЕТАЗНЫХ КОМПЛЕКСОВ до конца не выяснены (СЛАЙД из обзора Lei et al., 2014). Предполагают, что между ними может быть прямая связь, или же МТ формируют некие матрицы, по которым двигаются CSC. В пользу первого предположения свидетельствует выявление белка, который осуществляет непосредственную связь между МТ и CSC - Cellulose synthase interactive protein 1 (CSI1). Кроме этого, данный белок играет важную роль в поддержании поддерживании нормальной динамики CSC. У CSI1 есть С-терминальный домен, который обладает липид-связывающей активностью. Это дает возможность CSI1 оказывает влияние на организацию специализированных липидных микро-доменов, в которые вставлены комплексы CSC. Если CSC располагаются в островках с определенным липидным составом, некоторые свойства таких островков (текучесть мембраны) могут отличаться от свойств остальной плазматической мембраны. Кортикальные МТ, возможно, направляют формирование микро-доменов плазматической мембраны, а домены, в свою очередь, могут оказывать влияние на активность CSC. Вероятно, между кортикальными МТ, специализированными липидными микро-доменами, CSI1 и CSC существуют определенные взаимоотношения, которые обеспечивают механизм для МТ-зависимой организации липидных островков, содержащих CSC. Полноценное функционирование (синтез целлюлозы) поддерживается только в связи с целостностью всех компонентов.
Несмотря на то, что синтез целлюлозы идет у плазматической мембраны, считается, что сборка CSC происходит в аппарате Гольджи, и затем комплексы экзоцитируются через мембрану. Везикулы от аппарата Гольджи, которые принимают участие в экзоцитозе комплексов, называются small CESA compartments (smaCCs) или microtubule-associated cellulose synthase compartments (MASCs). Установлено, что комплексы преимущественно доставляются к сайтам на плазматической мембране, которые совпадают с расположением кортикальных МТ. Доставленные комплексы в течение нескольких секунд иммобилизованы, а затем начинают двигаться с постоянной скоростью по нижележащим МТ.
СЛАЙД - An overview of the localization, trafficking pathways and proposed trafficking mechanisms of CSCs.
Пектин и гимецеллюлоза синтезируются в аппарате Гольджи, а затем эти полимеры секретируются из клетки, после чего они входят в состав клеточной стенки. Однако, целлюлоза синтезируется с помощью CSC комплексов, котрые располагаются в плазматической мембране. Комплексы собираются в аппарате Гольджи (который, в свою очередь, зависит от актинового цитоскелета) и секретируются через TGN компартмент (они могут селективно накапливаться в определенных доменах TGN). Механизмы траффика CSC от TGN не очень хорошо изучены, но в нем могут участвовать везикулы, покрытые клатрином. Механизм слияния CSC несущих везикул с плазматической мембраной также плохо изучен, но известно, что это происходит в связи с кортикальными МТ. Предполагается, что в слиянии может принимать участие комплекс exocyst. Локализованные в плазматической мембране CSC двигаются в двух направлениях (bi-directionally) по кортикальным МТ, и считают, что это движение обеспечивает сила полимеризации целлюлозы. Связь CSC с микротрубочками осуществляют белки CSI. Эндоцитоз CSC комплексов происходит через AP2/clathrin-mediated endocytosis, и после этого эндоцитированный материал быстро доставляется в TGN, где происходит рециклирование CSC. MASC - Microtubule-Associated Cellulose Synthase compartments – это везикулы, которые содержат CSC и прикреплены к МТ. Комплексы CSC и CSI-containing cortical MASCs могут участвовать в секреции, эндоцитозе и рециклировании. В движении MASC могут участвовать кинезины.
ТАКИМ ОБРАЗОМ, ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ИНТЕРФАЗНЫХ МТ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ состоят в следующем:
Кортикальные пучки отвечают за регулярное отложение МЦФ, что обеспечивает правильный морфогенез (деление, рост и дифференцировку) клеток растений.
Радиальная система обеспечивает связь ядра с кортексом, заякоривание ядра в центре клеток (вакуолизированные клетки), возможный источник МТ (в случае нуклеации МТ от ядра) для построения веретена и фрагмопласта (между несестринскими ядрами при целлюляризации эндосперма, микроспорогенезе).