Дж. Ричард Макинтош

Дж. Ричард Макинтош — почетный профессор молекулярной, клеточной и биологии развития в Университете Колорадо в Боулдере . ^[1] Макинтош сначала окончил Гарвард, получив степень бакалавра по физике в 1961 году, а затем снова степень доктора философии по биофизике в 1968 году. ^[1] Он начал свою преподавательскую карьеру в Гарварде, но большую часть своей карьеры провел в Университете Колорадо в Боулдере. ^[2] В Университете Колорадо в Боулдере Макинтош преподавал биологию как на уровне бакалавриата, так и на уровне магистратуры. ^[3] Кроме того, в последние несколько лет своей преподавательской карьеры он создал курс бакалавриата по биологии рака. ^[4] Исследовательская карьера Макинтоша охватывает множество вещей, включая различные части митоза, микротрубочки и двигательные белки.

Большая часть работы Макинтоша сосредоточена на процессе митоза в клетке. Митоз — это процесс деления клетки, который включает в себя отдельные движения хромосом в клетке и образование митотических веретен . ^[5] Кроме того, Макинтоша очень интересует роль микротрубочек и моторных белков в этом процессе. Митотические веретена, состоящие из микротрубочек и других белков, гарантируют, что каждая из двух новых клеток во время деления клетки получит по одной копии каждой хромосомы . ^[6] После того, как хромосомы разделены, клетки также могут полностью разделиться посредством цитокинеза . ^[6] В митозе есть несколько фаз. ^[6] В профазе ДНК начинает упаковываться для деления, а микротрубочки реорганизуются, чтобы подготовиться к формированию митотического веретена. ^[6] В прометафазе кинетохоры развиваются там, где хромосома будет прикрепляться к митотическому веретену. ^[6] После этого хромосомы перемещаются к середине клетки ( метафазная пластинка), и две копии разделяются во время анафазы . ^[6] В некоторых работах Макинтоша он рассматривает конкретно часть анафазы А, которая связана с тем, где находится хромосома по отношению к полюсу, к которому она движется. ^[6] Наконец, в телофазе клетка завершает стадии митоза, создавая новую ядерную оболочку . ^[6]

Кроме того, во многих работах, описанных ниже, Макинтош обычно использует электронную томографию для визуализации и изучения клеток. В электронной томографии множество различных изображений объединяются для создания трехмерного изображения изучаемого объекта. ^[7] Эта технология лучше всего подходит для наблюдения за чрезвычайно сложными структурами и может визуализировать более тонкие срезы образцов, чем те, которые можно физически изготовить для изучения. ^[7]

Одно из ранних исследований Макинтоша в области клеточной биологии относится к 1974 году, когда его команда опубликовала статью о структурах жгутиков Pyrsonympha, организма, обнаруженного у термитов. ^[8] В этой работе его команда описала аксостиль , совокупность микротрубочек, и представила, что прикрепление аксостиля к другим частям клетки контролирует его функцию. ^[8]

В 1980 году интерес Макинтоша к микротрубочкам продолжился в работе «Визуализация структурной полярности микротрубочек». ^[9] Полярность микротрубочек необходима для создания силы, необходимой для разделения хромосом во время митоза, но в то время было трудно определить, что такое полярность. ^[9] Команда Макинтоша использует базальные тельца и клетки HeLa для изучения того, как протофиламенты «цепляются» за них — как в правостороннем, так и в левостороннем положении — in vitro для определения полярности. ^[9]

Несколько лет спустя, в 1984 году, Макинтош опубликовал исследование о том, как тубулин перемещается в клетках млекопитающих, с акцентом на клеточный цикл . ^[10] Для изучения перемещений тубулина в клетках во время митоза и интерфазы Макинтош использовал два метода визуализации: меченый (дихлортриазинил-аминофлуоресцеин или DTAF-) тубулин и перераспределение флуоресценции (или восстановление) после фотообесцвечивания (или FRAP). ^[10] Используя меченый тубулин, Макинтош наблюдал, как быстро свободно добавленный меченый тубулин полимеризовался в существующие структуры микротрубочек в клетке. ^[10] Было отмечено, что измерение добавления тубулина в интерфазе было затруднено из-за отсутствия структур, в то время как это было более заметно в митотической клетке. ^[10] При использовании FRAP Макинтош заметил, что тубулин перераспределялся по всей цитоплазме как в быстрой фазе, так и в более медленной фазе. ^[10] В целом, перераспределение или перемещение меченого тубулина в клетках, проходящих митоз, было намного быстрее, чем перераспределение, наблюдаемое для клеток в интерфазе. ^[10] В следующем году интересы Макинтоша начали смещаться в сторону моторных белков. Кинезин , моторный белок, который, как было обнаружено, перемещается вокруг везикул в клетке, был недавно обнаружен в другой статье, опубликованной в том же году. ^[11] Здесь Макинтош исследовал возможность кинезина как важной части митоза, поскольку его можно найти в митотическом веретене. ^[11] Некоторые из возможных функций, которые Макинтош предположил, что кинезин может иметь в митозе, заключаются в том, что он перемещает хромосомы вниз по микротрубочкам или перемещает микротрубочки в различных областях внутри митотического веретена. ^[11]

В следующем году интересы Макинтош начали смещаться в сторону моторных белков. Кинезин , моторный белок, который, как было обнаружено, перемещается вокруг везикул в клетке, был недавно обнаружен в другой статье, опубликованной в том же году. ^[11] Здесь Макинтош исследовал возможность кинезина как важной части митоза, поскольку он может быть обнаружен в митотическом веретене. ^[11] Некоторые из возможных функций, которые Макинтош предположил, что кинезин может иметь в митозе, заключаются в том, что он перемещает хромосомы вниз по микротрубочкам или перемещает микротрубочки в различных областях внутри митотического веретена. ^[11]

Интерес Макинтоша к связи моторных белков и митоза продолжается и в 1990-х годах. В 1990 году он опубликовал статью о цитоплазматическом динеине и митозе. ^[12] Динеин , белок, впервые обнаруженный в жгутиках, теперь был обнаружен и в цитоплазме . ^[12] Он движется к минус-концу, или к более медленно растущему концу микротрубочек. ^[12] Исследовательская группа использовала антитела для визуализации распределения цитоплазматического динеина в клетке. ^[12] Было обнаружено, что динеин находится вблизи кинетохор во время митоза, тогда как в интерфазе они были разбросаны по клетке. ^[12] Исследовательская группа использовала это открытие, чтобы предположить, что динеин играет роль в том, как хромосомы разделяются во время митоза из-за пространственных различий динеина во время интерфазы и митоза. ^[12]

В отличие от тем, которые Макинтош исследовал до сих пор, в 1996 году его команда опубликовала «Компьютерную визуализацию трехмерных данных изображений с использованием IMOD». ^[13] В этой статье его команда поделилась разработкой компьютерного программного обеспечения под названием IMOD . ^[13] С помощью IMOD исследователи могут изучать томографии и данные как с электронных, так и с световых микроскопов, а также создавать трехмерные изображения для взаимодействия. ^[13] С помощью этих реконструкций IMOD дает исследователям возможность визуализировать свои образцы в цифровом виде. ^[7] Программное обеспечение способно создавать коллекции изображений и использовать эти коллекции для создания моделей и измерений для дальнейшего анализа. ^[7] Один из инструментов, «слайсер», может помочь просматривать образцы под разными углами. ^[7] Некоторые другие инструменты включают масштабирование и панорамирование (называемое окном Zap), окно просмотра модели контура образца, окно XYZ, которое показывает другие плоскости, проходящие через изучаемую точку, и окна Tilt и Tumbler, которые показывают различные проекции, которые могут быть сделаны. ^[13] Программное обеспечение можно загрузить и использовать бесплатно на сайте http://bio3d.colorado.edu. ^[7] Эта технология использовалась для визуализации цитоплазматических мембран, миофибрилл и транс-сети Гольджи. ^[13]

Несколько лет спустя, в 1999 году, команда Макинтоша опубликовала исследование, в котором использовалась криофиксация и электронная томография для создания трехмерной модели аппарата Гольджи . ^[14] Две основные функции аппарата Гольджи — модификация белков и направление их к следующему месту назначения. ^[14] Что касается транспорта внутри аппарата Гольджи, команда Макинтоша предложила доказательства того, что это может быть сделано с помощью везикул в клетке, которые сливаются с различными мембранами, или с помощью микротрубочек, которые постоянно формируются и перемещаются вокруг аппарата Гольджи. [ ^14] С помощью криофиксации или быстрого замораживания изучаемых клеток команда Макинтоша смогла сохранить клетки по существу во времени перед использованием электронного микроскопа для их визуализации. ^[14] В этой работе исследователи визуализировали различные покрытия на почковавшихся частях аппарата Гольджи. ^[14] Они смогли увидеть разницу между покрытыми клатрином и не покрытыми клатрином везикулами. ^[14] Почки помогают молекулам в аппарате Гольджи транспортироваться из аппарата Гольджи в их предполагаемую область в клетке. ^[14] В этой работе исследователи описывают различные цистерны , почки, везикулы и покрытия, а также различия между цис- и транс-поверхностями аппарата Гольджи. ^[14] Эта техника визуализации привела их к выводу, что различные цистерны аппарата Гольджи не связаны между собой. ^[14] Также есть много везикул, которые окружают аппарат Гольджи, большинство из которых не покрыты клатрином. ^[14]

В 2002 году команда Макинтоша продолжила его ранние интересы в области «Взаимодействия хромосом и микротрубочек во время митоза». ^[15] В этой обзорной статье объясняется, как микротрубочки веретена связываются с хромосомами во время сегрегации в местах, называемых кинетохорами, и описывается контрольная точка, зависящая от кинетохоры. ^[15] Эта точка в клетке будет блокировать сегрегацию хромосом до тех пор, пока все хромосомы не будут правильно соединены. ^[15] Также объясняется роль белков микротрубочек, моторных белков и самих микротрубочек в процессе сегрегации. ^[15] Некоторые из моторных белков, упомянутых в статье, включают те, которые связаны с кинетохором на плюс- или минус-конце, или те, которые помогают в разборке микротрубочек. ^[15] Некоторые моторные белки связываются с хромосомами вместо кинетохор, включая хромокинезины, а некоторые работают на полюсах веретена. ^[15]

Макинтош также внес вклад в работу, опубликованную в 2004 году многими учеными в «Стандартной номенклатуре кинезинов». ^[16] В этой работе эти ученые помогли создать структуру наименования для белков кинезинов, которые участвуют в транспорте в клетке вместе с микротрубочками. ^[16] Белки кинезинов были разделены на четырнадцать различных семейств и получили разные названия, такие как кинезин-1, кинезин-2 и т. д. ^[16] Эта новая структура наименования была создана для того, чтобы существующие кинезины можно было легко классифицировать, а также классифицировать новые белки кинезинов, когда они будут обнаружены. ^[16] Авторы рекомендуют использовать поиск гомологии на основе выравнивания последовательностей белков, чтобы помочь классифицировать кинезины. ^[16] Он также дает спецификации того, что делает кинезин распознаваемым. ^[16] Кроме того, эта статья также дает руководство о том, как обращаться к кинезинам (и их прежним названиям, если применимо) в статьях. ^[16]

В 2005 году Макинтош и его команда опубликовали исследование, в котором изучалась связь между деполимеризацией микротрубочек и генерацией силы, показывающее, как химия димеров тубулина может создавать механическую силу. ^[17] Исследователи прикрепили стеклянные микрошарики к тубулину. [ ^17] Используя лазерный пинцет, команда Макинтош смогла наблюдать, что шарик будет двигаться, как правило, к минус-концу, по мере того, как микротрубочки деполимеризуются от него. ^[17] В частности, изгиб протофиламентов заставлял пинцет улавливать генерируемую силу. ^[17] Здесь исследователи применили эти результаты к сегрегации хромосом и пришли к выводу, что динамика микротрубочек создает силы, необходимые во время митоза. ^[17]

В 2006 году команда Макинтоша использовала цироэлектронную томографию для получения изображения аксонем в сперме морского ежа и Chlamydomonas reinhardtii. ^[18] Аксонемы — это структуры в ресничках и жгутиках, состоящие из определенного рисунка микротрубочек. ^[18] Команда Макинтоша была особенно заинтересована в белке динеине. ^[18] В этой статье исследователи описывают, как различные субъединицы динеина прикрепляются к микротрубочкам и как они также могут генерировать силу. ^[18]

Письмо Макинтош «Двигатели или динамика: что на самом деле движет хромосомами?» в Nature cell biology в 2012 году объясняет обзор различных направлений, в которых работала его лаборатория до сих пор. ^[19] Исследователи, изучающие, как хромосомы движутся в процессе митоза, утверждают, что либо микротрубочки генерируют силы, необходимые для их разделения, либо это делают определенные двигательные белки. ^[19] Когда Макинтош впервые начал свои исследования, он отметил, что он был очень уверен в школе мысли двигательных белков и связал ее с теорией скользящих нитей, используемой для объяснения сокращения мышц. ^[19] Однако, прочитав статьи других исследовательских групп и проведя другие исследования, которые обнаружили, что аденозинтрифосфат (АТФ) и двигательный белок динеин не являются необходимыми для движения хромосом, он начал рассматривать влияние, которое микротрубочки оказывают на этот процесс. ^[19]

Продолжая интерес к микротрубочкам, митотическому веретену и митозу, в 2013 году его команда опубликовала статью, в которой изучалась скорость движения хромосом во время митоза. ^[20] В целом было отмечено, что деполимеризация микротрубочек и движение моторных белков происходят очень быстро, но хромосомы движутся медленно во время их разделения на стадии анафазы А митоза. ^[20] В этом исследовании Макинтош и его команда предполагают, что моторные белки могут влиять на скорость движения, влияя на деполимеризацию. ^[20] Также было отмечено, что разделение различных протофиламентов по отдельным димерам тубулина может быть еще одним фактором, влияющим на деполимеризацию и последующее движение хромосом в митозе. ^[20]

Сосредоточившись теперь на полимеризации микротрубочек вместо деполимеризации, в 2018 году команда Макинтоша использовала электронную томографию для изучения микротрубочек in vitro , а также у шести различных видов. ^[21] Исследователи заметили, что по мере роста микротрубочек они изгибаются от оси, подобно тому, как микротрубочки изгибаются, когда они также деполимеризуются. ^[21]

Продолжая использовать технику электронной томографии, в 2020 году Макинтош и его команда использовали эту стратегию визуализации, чтобы наблюдать, как различные виды микротрубочек работают вместе во время метафазного состояния митоза. ^[22] Одной из важных структур в этой фазе являются кинетохорные микротрубочки или называемые КМТ. ^[22] Они, наряду с другими структурами в клетке, работают вместе, чтобы уравновесить различные силы в клетке во время митоза. ^[22]

На протяжении всей своей карьеры Макинтош также помогал редактировать и писать книги. В 2001 году он был редактором вместе с Джозефом Г. Галлом (из Института Карнеги в Вашингтоне ) в Landmark Papers in Cell Biology . ^[23] Эта работа, посвященная 40-летию создания Американского общества клеточной биологии (основанного в 1960 году), включает 42 основных статьи в области клеточной биологии вместе с собственными мыслями редактора. ^[23] Некоторые из тем в этой книге включают транскрипцию , митоз , клеточную мембрану и цитоскелет . ^[23]

В 2017 году Макинтош стал приглашенным редактором книги «Механизмы митотической сегрегации хромосом». ^[24] В этой работе Макинтош связывает различные открытия о митозе у различных организмов. ^[24] Во введении Макинтош также признает важность того, как эволюция нашего понимания митоза происходит из-за развития других технологий в этой области, таких как более совершенные камеры, более совершенные способы очистки молекул и более глубокое понимание генетики. ^[24] Эта коллекция обзорных статей помогает читателям получить общее представление о митозе, процессе, который, по мнению Макинтош, необходим для самой жизни. ^[24]

Опубликованная в 2019 году книга «Понимание рака: введение в биологию, медицину и социальные последствия заболевания» является ресурсом для тех, кто хочет узнать больше о раке в целом . ^[4] В этой книге, на которую повлияла смерть его сына от рака легких, обсуждается каждый этап процесса: скрининг, диагностика и лечение. ^[4] Текст написан таким образом, чтобы те, у кого нет предварительных знаний, могли узнать основы о раке. ^[4] Макинтош признает во введении, что рак — это больше, чем наука; он охватывает другие области, такие как история и религия. ^[2] В этом тексте Макинтош обсуждает научные темы, связанные с раком, такие как роль онкогенов, супрессоров опухолей и иммунная система. ^[4] Кроме того, текст охватывает темы, выходящие за рамки научных описаний рака, такие как будущее рака, минимизация риска рака и жизнь с раком. ^[4]

Записанное в конце 2008 года, Макинтош представлен на сайте «iBiology» в серии лекций под названием «Деление эукариотических клеток». ^[2] В этой серии процесс разделен на три различных видео, посвященных делению хромосом, экспериментам и митотической стадии анафазы А. ^[2]

С 1984 по 2006 год Макинтош занимал должность директора Боулдерской лаборатории трехмерной электронной микроскопии клеток. ^[1] В 1994 году Макинтош занимал должность профессора-исследователя Американского онкологического общества и продолжал эту должность до 2006 года. ^[1] В 1994 году Макинтош также был президентом Американского общества клеточной биологии . ^[1] В 1999 году Макинтош был избран в Национальную академию наук и Американскую академию искусств и наук . ^[1] Национальная академия наук считает его основным членом секции клеточной и эволюционной биологии и второстепенным членом секции биофизики и вычислительной биологии. ^[25] В 2000 году Макинтош был удостоен звания заслуженного профессора в Университете Колорадо в Боулдере. ^[1] После выхода на пенсию в 2006 году Макинтош продолжает проводить исследования и публиковать книги и статьи. ^[23]