БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 4, с. 716-721
= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =
УДК 577.3
ХЕМОТАКСИC КАК МЕХАНИЗМ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
ОБОНЯТЕЛЬНЫХ ЖГУТИКОВ
© 2015 г. Е.В. Бигдай, В.О. Самойлов
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6
E-mail: bigday50@mail.ru Поступила в p едакцию 18.05.15 г.
Статья посвящена современным представлениям о двигательной активности обонятельных жгутиков как варианту хемотаксиса. Она включает анализ литературных данных, а также результаты экспериментальных исследований авторов.
Ключевые слова: xемотаксис, обонятельные жгутики, актин, миозин, тубулин, динеин.
Термин «хемотаксис» введен в биологию в 1884 г. Вильгельмом Пфеффером, который описал его как напр авленную миграцию лейкоцитов в соответствии с химическим градиентом [1]. Это определение и сейчас общепринято [2]. Направленное движение клеток к химическому источнику в градиенте его концентрации является фундаментальным клеточным процессом и играет важную роль в развитии организмов, заживлении ран, во вр ожденном иммунитете и метастазировании опухолевых клеток у высо-коразвитых организмов, в процессах оплодотворения, а также в поисках пищи, реакции на аттрактанты и репелленты и образовании многоклеточных тел у простейших. Механизмы регуляции хемотаксиса сформировались на ранних этапах эволюции и со хр анились вплоть до млекопитающих [3,4].
Обонятельные клетки принадлежат к клеткам жгутикового типа. И х апикальный полюс увенчан обонятельными жгутиками. Они представляют собой тонкие выросты плазматической мембраны этих клеток (диаметром около 0,2-0,3 мкм и длиной до 150 мкм) и присущи подавляющему большинству обонятельных клеток позвоночных. Эти органеллы обладают подвижностью у различных животных - лягушек, тритонов, миног, костистых рыб, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих [5,6]. Характер их двигательной активности был выявлен в опытах на лягушках, а потом и на других животных. Исследователи солидарны во мнении, что обонятельные жгутики у преобладающего большинства позвоночных в отсутствие одорантов обладают неупорядоченной подвижностью. Они совершают движения в режиме рыскания, сканируя обширную область про -странства вокруг себя в поиске пахучих веществ.
Двигательная активность всех подвижных ресничек и жгутиков осуществляется благодаря тому, что под их плазмолеммой находится ак-сонема, которая представляет собой опорно-двигательный аппарат клетки. Стр уктурная организация ресничек весьма консервативна в процессе эволюции [7]. Аксонема построена из девяти пар периферических микротрубочек, связанных между собой динеиновыми ручками. В центре аксонемы находятся еще две микротрубочки, заключенные в оболочку, называемую центральной капсулой. Поэтому говорят, что аксонема ресничек и жгутиков имеет конфигурацию 9 х 2 + 2. Девять периферических дублетов соединяются между собой нексиновыми связями и с центральной парой - радиальными спицами (рисунок).
Как и другие (кинезиновые и миозиновые) надмолекулярные структуры, динеиновые ручки работают как «цитомышцы» на «цитокостях» (микр отрубочках). С ними связано также энергетическое обеспечение движения ресничек и жгутиков. Механохимический процесс взаимодействия головок динеина, обладающих АТФ-азной активностью, с тубулином приводит к перемещению друг относительно друга двух дублетов микротрубочек, соединенных боковыми ручками. Механизм этого перемещения напоминает скольжение миозиновых нитей вдоль актиновых. Обнар ужено поразительное сходство в работе двух основных молекуляр ных систем двигательной активности - в обеих происходит скользящее перемещение «цитокостей» за счет натяжения «цитомышц».
Во мнениях о наличии локомоторной активности обонятельных жгутиков у млекопитающих солидарности среди исследователей нет. Весьма распр остранено пр едставление, о с-
Схема ультр а стр уктур ной о p ганизации p еснички.
нованное на данных, установленных по ср едст -вом электр онной микр о скопии, что обонятельные жгутики млекопитающих неподвижны [8,9]. Оказалось, что стр уктур ная модель жгутика 9 х 2 + 2 пр о слеживается не на всем его пр отяже-нии, а только у о снования. Неполноценно стью аксонемы обонятельных жгутиков автор ы данных работ обосновывают предполагаемое отсутствие у обонятельных жгутиков млекопитающих подвижно сти, обеспечиваемой тубулин-динеиновой системой.
В наших экспер иментах по ср едством пр и-жизненной телевизионной микр о скопии высо -кого разрешения удалось обнаружить двигательную активность обонятельных жгутиков не только у лягушек (Rana temporaria), но и у крыс (Rattus), кроликов (Leporidae) и человека. Эта активность оказалась сходной с их подвижно стью у земноводных: движения жгутиков у в сех и сследуемых нами животных неупо р ядо-чены, когда в ср еде нет одор антов. Очевидно, такие ры скающие движения повышают вер оят-ность встр ечи молекул пахучего р аздр ажителя с р ецепто р ом в цилиар ной мембр ане.
По результатам наших исследований с пр и-менением колхицина р ы скающие движения жгутиков обонятельных клеток вне действия стимула обусловлены функционированием тубу-лин-динеиновой системы, со ср едоточенной в пр оксимальном отделе обонятельного жгутика. Именно там совершается взаимодействие ди-неина с тубулином и генер ир ует ся механическая энер гия для двигательной активности этих о р-ганелл [10-12].
И сточником энер гии для локомотор ной активности жгутиков служит АТФ, по скольку, как установлено в наших опытах, на фоне ингибитор ов клеточного дыхания они о станавли-
ваются. Мы показали также, что двигательная активность жгутиков совер шается пр и повышении уровня ионов кальция в цитозоле этих о р ганелл, котор ые о станавливаются пр и появлении в ср еде ЭГТА, связывающего внеклеточный кальций [12]. Следовательно, локомоторную функцию обонятельные жгутики выполняют благодаря входу Са2+ из внеклеточной ср еды.
Эксперименты, проведенные с использова-нием рутениевого кр асного, блокирующего С а2+-каналы семейства ТЯР, и гадолиния, бло-кируюшего механочувствительные ионные каналы, позволили нам прийти к заключению, что кальций входит в цилиарный цитозоль через механочувствительные кальциевые каналы семейства ТЯР [13]. Очевидно, дистальный отдел обонятельного жгутика, в котор ом отсутствует полноценный опорно-двигательный аппарат, движется пассивно - наподобие хлыста в руке погонщика. Таким обр азом, обонятельные жгутики вне действия стимула р еагируют на собственные изгибы, пр оисходящие под действием механических усилий.
Подвижные органеллы обонятельных клеток обладают хеморецепторными свойствами: именно в их дистальных отделах сосредоточены специфические молекуляр ные рецепто р ы к одо-рантам, причем в жгутиках одной обонятельной клетки экспрессируются рецепторы только к одному пахучему веществу. В мембр ане обонятельных жгутиков, как и в мембр анах р азлич-ных мигр ир ующих клеток, со ср едоточены компоненты внутриклеточных сигнальных путей, обеспечивающие тр ансдукцию химических стимулов [14].
Вместе с тем в наших исследованиях пока -зано, что как только пр оисходит взаимодейст -
вие одор анта с обонятельным рецепто ром, локализованным в мембране дистального отдела жгутика, характер его движения изменяется. Оно становится упор ядоченным и, подобно движению при хемотаксисе, совершается по направлению к источнику одоранта в градиенте его концентр ации. Это было выявлено как визуально, так и поср едством разработанной нами программы для компьютерного анализа, что обеспечило объективизацию и углубление данных о переходе неупорядоченных движений обонятельных жгутиков в упорядоченные [10,15].
По нашим данным, упо рядоченное движение обонятельных жгутиков обеспечивается не тубулин-динеиновой, а актин-миозиновой системой подвижности. Поср едством конфокальной микроскопии с использованием флуоресцентного зонда на F-актин (р одаминфаллоидин) было установлено, что взаимодействие одоран-та с рецептором мгновенно инициирует полимер изацию G-актина с обр азованием F-актина. Его нити направляются от основания обонятельного жгутика к его верхушке и, по-видимому, за счет взаимодействия с цилиарным миозином создают его упорядоченное движение в направлении источника одоранта. В обонятельных жгутиках был идентифицирован миозин VIIa, котор ый, вероятно, способен во взаимодействии с актином обеспечить хемотаксис жгутиков при появлении в ср еде соответствующих одорантов [16].
Такая реакция обонятельных жгутиков на пахучие стимулы сходна с поведением мигрирующих клеток пр и появлении в среде хемо -аттрактантов. Так, хемотаксис от клеток слизевика Dictyosctelium до лейкоцитов млекопитающих представляет собой циклический про -цесс. Механизм преобразования хемотаксиче-ских сигналов в упорядоченную направленную миграцию в градиенте аттрактанта связан с взаимодействием молекул химических раздражителей с мембранными рецепторами. Затем клетка преобр азует этот сигнал в поляризованные внутр иклеточные р еакции, активируя каскад внутр иклеточных поср едников, включая фо-софлипазу С, сопряженную с G-белком, фос-фатидилинозитол-(3,4,5)-трифосфат (PIP3), про -теинкиназу С [2,4].
В результате к мембране ведущего края клетки рекрутируются другие молекулы, обеспечивая в конечном итоге активацию Rho-се-мейства ГТФаз, включая Rac и Сёс42, и полимер изацию актина на ведущем кр ае. Rho-се-мейство мелких ГТФаз является основным регулятор ом актиновой сборки клетки. Все эти процессы приводят к хемотаксису.
При исследовании двигательных реакций жгутиков на р азные одор анты обнаружилось, что направление их движения зависит от применяемого стимула. Например, амиловый спирт и цинеол являются хемоаттрактантами, а серо -водор од и камфор а - р епеллентами [17]. К роме того, как следует из наших данных, в ответ на одоранты изменяется частота локомоторной активности обонятельных жгутиков.
Показано, что у парамеций (Paramecia) реакция на хемоаттрактант или репеллент также проявляется в изменении частоты биения ресничек [18], пр ичем механизм хемотак сиса у этих одноклеточных организмов обеспечивается за счет изменения мембранного потенциала. В мембранах рес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.