Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   BOAI: наука должна быть открытой Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Онкология | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Обзорные статьиА.Н. Тихонов. Молекулярные моторы. Часть 2. Молекулярные основы биологической подвижности

Обзорные статьиЮ.М. Васильев. Клетка как архитектурное чудо. Часть 3. Клетка единая, но делимая

Обзорные статьиЮ.М. Васильев. Социальное поведение нормальных клеток и антисоциальное поведение опухолевых клеток. II. Клетки строят ткань

Клетка как архитектурное чудо.
II. Цитоскелет, способный чувствовать и помнить
Ю. М. ВАСИЛЬЕВ
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова


ВВЕДЕНИЕ. МОЛЕКУЛЫ И МОРФОЛОГИЯ
Изучение молекулярных механизмов морфогенеза - одна из основных, может быть, главная проблема биологии ближайшего будущего. Мы уже много знаем о генетических механизмах, определяющих природу химических компонентов клетки, и в особенности структуру белков. Вместе с тем, мы еще плохо понимаем, как особенности этих химических компонентов определяют сложнейшую структуру всего многоклеточного организма. Мы не знаем, как изменения генов и кодируемых ими белков реализуются в изменениях формы и размещения клеток, тканей и органов. Приведу только один наглядный пример: мы хорошо понимаем, как ДНК родителей определяет структуру любого белка их ребенка, но совершенно ничего не знаем о том, как эта ДНК определяет морфологические черты лица их ребенка, то есть форму его подбородка, губ, носа, ушей и т.д. А ведь о сходстве детей с родителями мы обычно судим именно по этим чертам.
Одним из наиболее перспективных подходов к этой проблеме является исследование механизмов изменений цитоскелета. В предыдущей статье я рассказал о том, что цитоскелет - это основа подвижной архитектуры клеток животных и растений. Напомню, что цитоскелет образован тремя системами белковых нитей: микрофиламентами, состоящими из белка актина, микротрубочками, состоящими из белка тубулина и промежуточными филаментами, состоящими из разных белков. Эти нити собираются (полимеризуются) из соответствующих белковых молекул и вновь разбираются на отдельные молекулы. Благодаря такой полимеризации-деполимеризации цитоскелет непрерывно перестраивается, и эти перестройки являются основой изменений формы и движений клеток, лежащих в основе образования клеток и органов.
В этой статье мы разберем некоторые простейшие цитоскелетные механизмы таких движений и изменений формы. Конкретнее говоря, попытаюсь объяснить, как клетка (или часть ее) ползет по твердой поверхности (так называемой подложке) и при том ползет в определенном направлении, проявляя зачастую поразительную способность выбирать определенную ориентировку и, когда надо, соблюдать эту ориентировку, а когда надо - менять ее. На примере двух разных клеточных типов фибробластов и нейронов попытаюсь показать, как разумные движения отдельных клеток приводят к образованию сложных многоклеточных структур.


ФИБРОБЛАСТЫ ПОЛЗУТ К ЦЕЛИ
Все клетки ползут, образуя на переднем крае динамичные выросты - псевдоподии разной формы. В псевдоподиях под мембраной клетки полимеризуются актиновые микрофиламенты, которые связываются с миозином и другими белками (см. предыдущую статью). Псевдоподии могут прикрепляться к поверхности подложки и, сокращаясь, тянут всю клетку вперед. Таков основной механизм движения. Очевидно, направление движения определяется тем, на каком краю клетки будут образовываться, прикрепляться и сокращаться псевдоподии.
Что же определяет места образования псевдоподий? Для того чтобы лучше это понять, рассмотрим движения одной из клеток, чаще всего используемых в экспериментах, клеток соединительной ткани - фибробластов. Фибробласты, помещенные в культуру и распластавшиеся на плоской подложке, например, на дне чашки Петри со средой, приобретают форму веера или веретена. Они поляризованы, то есть образуют псевдоподии лишь на одном или двух полюсах. Эти клетки могут ползти направленно в сторону одного из активных полюсов. Их боковые края неактивны.
Благодаря динамике цитоскелета фибробласт может менять форму и направление движений в ответ на изменения окружающего внешнего мира: например, в ответ на изменения питательной среды и поверхности подложки. Ориентировка этих клеток начинается с того, что клетка получает направленный сигнал из внешнего мира. Например, поместим возле одного из краев клетки капилляр и будем из него выпускать в среду раствор веществ, который, попадая на поверхность клетки, вызывает в этом месте поверхности образование псевдоподий; в результате клетка начинает направленно двигаться в сторону сигнала. Это явление называется положительным химиотаксисом. Веществами, вызывающими такой химиотаксис у фибробластов, являются некоторые специальные белки, так называемые факторы роста. Химиотаксические вещества связываются со специальными белками - рецепторами в наружной мембране клетки и активизируют их. Такая активация через какие-то еще неясные промежуточные химические реакции вызывает полимеризацию актина под соответствующим местом мембраны и выпячивание псевдоподии. Если концентрация активирующих веществ с разных сторон клетки различна, то на одном конце клетки будет образовываться и прикрепляться к подложке больше псевдоподий, чем на другом. Контакт с другой клеткой может действовать противоположно химиотаксису: если какой-то участок активного края фибробласта касается поверхности другой клетки, то образование псевдоподий в этом месте края немедленно прекращается; происходит "контактное торможение" или "контактный паралич" этого участка (рис. 1).

Рис. 1. Контактный паралич мышиного фибробласта при встрече с другой клеткой. В кадрах микросъемки обведены контуры клеток. Время между последовательными кадрами составляет 20 мин. а - фибробласт, ползущий направо: широкие псевдоподии на правом полюсе; б - правый активный полюс вступил в контакт с краем другой клетки; в - г - образование псевдоподий вдоль контакта почти прекратилось. Клетка сменила места образования псевдоподий, вытягивается и движется параллельно краю другой клетки.


Механизмы такого паралича еще неясны, но его биологический смысл очевиден: благодаря параличу клетка не заползает на другую клетку, но, коснувшись ее, поворачивает туда, где есть свободная поверхность подложки. Двигаясь, клетки соблюдают взаимную вежливость. Третий внешний фактор, меняющий распределение псевдоподий - различная адгезивность ("липкость") разных участков поверхности подложки. Например, посадим клетку не на широкое плоское стекло, а на узкий стеклянный цилиндр, диаметр которого (30 микрометров) лишь немногим больше диаметра самой клетки. Тогда фибробласт начинает выбрасывать псевдоподии во все стороны. Но лишь те псевдоподии, которые выброшены вдоль, а не поперек цилиндра, смогут коснуться свободной поверхности стекла и прикрепиться к ней; псевдоподии, выброшенные поперек стекла, такой подложки не найдут, и клетка втянет их обратно (рис. 2, 3).

Рис. 2. Фибробласт, начавший вытягиваться на цилиндрической подложке. Псевдоподии прикрепляются вдоль оси подложки, но не поперек ее. Сканирующий электронный микроскоп.


Таким образом, во всех случаях под влиянием внешних факторов у клетки возникает первичная поляризация образования и прикрепления псевдоподий. Однако такая поляризация часто очень неустойчива. Чтобы направленно двигаться, клетка должна запомнить и стабилизировать эффект внешних факторов. Эта стабилизация выражается в том, что клетка совсем перестает выбрасывать псевдоподии в тех направлениях, где их прикрепление было менее удачно, и начинает их выбрасывать более эффективно только в наиболее удачных направлениях, например, вдоль цилиндра или ближе к источнику химиотаксического вещества (рис. 3а).
Такая стабильная поляризация достигается благодаря перестройкам архитектуры двух цитоскелетных систем - актина и микротрубочек. Первой ее стадией является реорганизация актинового кортекса, то есть сети микрофиламентов, расположенной под мембраной всего тела клетки. Как мы знаем, прикрепленные псевдоподии содержат актиновые микрофиламенты, соединенные одним концом с подложкой через мембрану, а другим концом с микрофиламентами в кортексе тела клетки. Там, где прикрепления к подложке прочны, микрофиламенты, пытаясь сократиться, будут тянуть в свою сторону весь кортекс. В тех местах, где прикрепленных псевдоподий больше, натяжение сильнее, и кортекс будет вытягиваться вдоль этого направления натяжений. При этом актиновые микрофиламенты в кортексе будут, натягиваясь, ориентироваться вдоль этого направления. Каким-то неизвестным еще образом ориентировка кортекса определяет места выбрасывания новых псевдоподий: клетка перестает их выбрасывать на тех боковых краях, которые параллельны натяжениям. Эта роль натяжения подтверждена прямыми опытами: если один из участков поверхности клетки растянуть механически микроиглой, то образование псевдоподий в таком участке прекращается. Стабилизация натяжением резко усиливает небольшие количественные различия в числе прикрепленных псевдоподий в разных участках поверхности: происходит качественное разделение поверхности на стабильные и активные участки. У фибробластов для стабилизации формы, кроме актинового кортекса, необходима еще и вторая цитоскелетная система, микротрубочки. Если разрушить микротрубочки колхицином или похожим веществом (см. предыдущую статью), то фибробласт теряет вытянутую форму, а его актиновые микрофиламенты в кортексе теряют общую ориентировку. Сосредоточить свои псевдоподии на одном участке края такая клетка не может, даже если имеется ориентирующий внешний фактор, например, цилиндрическая подложка или химиотаксический
градиент (рис. 3б). Клетка без микротрубочек все время выбрасывает псевдоподии по всему краю во всех возможных направлениях. Разумеется, такая клетка теряет способность направленно двигаться, но совершает лишь бессмысленный "бег на месте".

Рис. 3. Движения фибробласта, посаженного на узкую плоскую полоску стекла (параллельные линии). Сверху вниз контуры одной клетки, сделанные по последовательным кадрам киносъемки; цифры рядом со стрелками - время между кадрами. а - контроль. Клетка постепенно вытягивается вдоль полоски. Образование псевдоподий сосредоточивается на полюсах и прекращается на боковых краях клетки, параллельных длине полоски (стабилизация боковых краев); б - клетка в среде с колцемидом, разрушившим микротрубочки. Клетка несколько вытянулась, но полной стабилизации боковых краев не происходит: псевдоподии образуются и вдоль и поперек длины полоски.


Таким образом, у фибробластов имеется две степени цитоскелетной стабилизации формы и движений - актиновая и микротрубочковая. В отличие от фибробластов, у некоторых клеток, слабо вытянутых, например, у лейкоцитов, разрушение микротрубочек почти не меняет форму и движения; очевидно, у таких клеток "работает" одна актиновая стабилизация. Лейкоцит меняет ориентировку и направление движений гораздо чаще, чем фибробласт. Можно сравнить актиновую стабилизацию с кратковременной памятью, которая запоминает эффекты сигналов лишь на небольшое время, а микротрубочковую стабилизацию фибробласта - с долговременной памятью. Остается нерешенным еще вопрос о механизмах стабилизации: каким образом реорганизация цитоскелета определяет места выбрасывания псевдоподий? Вероятнее всего, актиновые нити и микротрубочки транспортируют на периферию, к определенным клеткам какие-то органеллы, индуцирующие в этих местах полимеризацию новых микрофиламентов и, следовательно, выбрасывание псевдоподий. Действительно, стабилизацию мест образования псевдоподий можно нарушить у фибробластов агентами, нарушающими транспорт органелл, в особенности инъекцией антител к кинезину - известному нам мотору, везущему органеллы к микротрубочкам. Какие именно органеллы регулируют образование псевдоподий, остается пока неясным.
Движения фибробластов, как и движения других клеток, удобнее изучать в культуре, чем в организме, хотя бы потому, что только в культуре и подложка (дно чашки Петри), и среда прозрачны, и все детали движений можно наблюдать под микроскопом. Вместе с тем, закономерности, открытые в культуре, имеют общий характер и относятся и к движениям клеток в организме. Выберем только один пример - заживление раны: кожа ранена каким-то орудием, из поврежденных сосудов выходит кровь, которая свертывается в ране. При свертывании крови образуется сгусток фибриновых нитей, и из разрушающихся клеток крови - тромбоцитов выделяется тромбоцитарный фактор роста. По всей вероятности, градиент этого фактора в среде привлекает в рану фибробласты из окружающей соединительной ткани. Нити фибрина, подобно цилиндрическим подложкам в культуре, могут служить "рельсами", направляющими дополнительно движение фиброблаастов в рану. Наконец, клетки, идущие в рану с разных сторон, благодаря контактному параличу, ориентируются упорядоченно друг относительно друга. Фибробласты, направленно мигрировавшие в рану, начинают там размножаться и делать коллагеновые волокна. Образуется рубец, и рана заживает. Заживление раны - лишь один из вариантов процессов, при которых направленные миграции фибробластов и близких к ним клеток, например, костных клеток, остеобластов или хрящевых клеток, хондробластов, восстанавливают поврежденную структуру соответствующих тканей нашего организма или меняют эту структуру в ответ на действие внешних факторов.

Далее...


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования