ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2009, том 70, № 3, с. 239-244
УДК 576.3.7
МЕХАНИЗМЫ СОЦИАЛЬНОГО ПОВЕДЕНИЯ ТКАНЕВЫХ КЛЕТОК ПОЗВОНОЧНЫХ: КУЛЬТУРАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ
© 2009 г. В. И. Самойлов, Ю. М. Васильев
Институт физико-химической биологии им. АН. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова 119899 Москва, Ленинские горы e-mail: vadsam@belozersky.msu.ru НИИ канцерогенеза ГУ РОНЦ им. Н.Н. Блохина 115448 Москва, Каширское шоссе, 24 e-mail: yuvasiliev@yahoo.com Поступила в редакцию 21.11.2007 г.
Морфогенетические взаимодействия клеток в организме в значительной мере воспроизводятся в культурах клеток разных типов, в частности, эпителиоцитов и фибробластов. Культивируемые клетки взаимодействуют между собой посредством рецепторов и лигандов, активирующих внутриклеточные сигнальные системы. Роль лигандов играют три группы компонентов микросреды - жидкая среда, внеклеточный матрикс и межклеточные контакты. К лигандам жидкой среды относятся гормоны, факторы роста, факторы апоптоза и другие молекулы. При соприкосновении с другими клетками и с подложкой клетки образуют специфические структуры, тесно связанные с цитоскелетом, в первую очередь актиновым. Встреча двух фибробластов или двух эпителиоцитов приводит к местному инги-бированию псевдоподиальной активности - так называемому контактному параличу. В культуре успешно воспроизводится регенерация соединительной ткани и эпителиальных пластов, а также эпи-телиомезенхимальная трансформация; неполная эпителиомезенхимальная трансформация, по-видимому, лежит в основе морфогенеза различных желез и легких, а также в основе ангиогенеза.
Мы не всегда осознаем, как сложен и замечателен процесс образования многоклеточного организма из огромного числа отдельных клеток. Ведь каждая клетка - сложное существо, обладающее индивидуальным очень непростым поведением и способностью реагировать на большое количество сигналов среды. До сих пор остается совершенно верным положение, сформулированное знаменитым патологом Р. Вирховым: организм есть государство клеток (Вирхов, 1859). Сложность и многогранность поведения отдельных клеток организма показывают опыты с переносом этих клеток в культуру, где каждая клетка сохраняет способность к характерному поведению: она может целесообразно двигаться, размножаться и осуществлять многие другие функции.
Исследования, проведенные многими экспериментаторами в течение последних десятилетий, выявили главные процессы, из которых складываются основы социального поведения клеток в культуре. Есть все основания предполагать, что эти процессы являются также основой социального поведения клеток в организме. Поэтому их изучение чрезвычайно важно. В этой статье мы попытались очень кратко и упрощенно описать эти реакции клеток двух основных тканевых типов -мезенхимальных клеток (фибробластов) и эпителиальных клеток (эпителиоцитов). Приводится
очень краткий, конспективный и, несомненно, неполный набор основных процессов, наблюдаемых в культуре in vitro, из которых, вероятно, складывается онтогенез организмов позвоночных. Нашей задачей не было дать исчерпывающий обзор всех сведений об этих процессах; мы хотели лишь указать на природу структур и факторов, в них участвующих.
ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОСРЕДЫ НОРМАЛЬНЫХ КЛЕТОК
Прежде всего перечислим те компоненты местного клеточного окружения (микросреды), на которые реагируют клетки, меняя свое поведение. Каждая клетка в составе ткани: 1) окружена жидкой средой (тканевой жидкостью), 2) контактирует с внеклеточным матриксом, вырабатываемым этой и другими клетками и тканями, и 3) вступает в контакт с другими клетками (рис. 1). Поведение клетки определяется взаимодействием сигналов, получаемых ею от этих трех компонентов. Если в тканях эти взаимодействия клеток весьма сложны и разнообразны, то при культивировании клеток вне организма, в клеточных и тканевых культурах, они проще.
Гуморальные регуляторы в жидкой среде могут быть дальнодействующими, как гормоны, и близкодействующими, как факторы роста и выживания и факторы, кондиционирующие среду.
Рис. 1. Компоненты микросреды клеток, воспроизводимые при их культивировании: 1 - стенки культураль-ного сосуда, создающие подложку (субстрат) для культивируемых клеток; 2 - жидкая питательная среда; 3 -культивируемые клетки, прикрепившиеся к подложке; 4 - контакт между клетками.
Рис. 2. Образование псевдоподий: 1 - пузыря (bleb), 2 -ламеллиподии, 3 - филоподии. В каждом выпячивании содержатся актиновые филаменты.
Поверхность внеклеточного матрикса служит той подложкой, к которой прикрепляются тканевые клетки. В культурах поверхность искусственной подложки из стекла или пластика обычно покрывается выработанным посеянными клетками внеклеточным матриксом - коллагеновыми, фиб-ронектиновыми или иными волокнами. Прикрепляясь к внеклеточному матриксу, клетки образуют контактные структуры. В культурах самой характерной такой структурой служит фокальный контакт в виде структурированной бляшки на плаз-малемме, которая содержит такие белки, как а-ак-тинин, талин, винкулин и интегрины - трансмембранные рецепторы, взаимодействующие с белками внеклеточного матрикса.
В процессе прикрепления к внеклеточному матриксу клетки образуют псевдоподии (рис. 2) и, формируя фокальные контакты и соединенные с ними пучки актиновых филаментов, прикрепляются к подложке; в результате этого процесса
форма клетки резко меняется: из сферической клетка становится уплощенной, происходит так называемое распластывание клеток.
При соприкосновении соседних клеток друг с другом образуются адгезионные структуры иного рода: десмосомы, адгезионные кадхериновые контакты, щелевые контакты и запирающие контакты. Каждый из этих типов контактов содержит специфические, характерные для него белки; например, десмоплакин - в десмосоме, кадхерины многих типов - в адгезивных контактах, коннексин - в щелевых контактах.
Образование контактов вызывает еще и очень важные дополнительные реакции клеток. Контакт с внеклеточным матриксом индуцирует образование рядом с ним псевдоподии. Напротив, межклеточные контакты индуцируют прекращение образования псевдоподий рядом с ними - так называемый "контактный паралич" (АЪегегошЫе, 1970). Множественные контакты с другими клетками вызывают также прекращение пролиферации клеток (контактное торможение размножения).
Мы перечислили в общем виде основные феномены, которые определяют взаимодействие клеток с микросредой и, следовательно, социальную жизнь клетки в культуре. Механизмы этих процессов основаны на взаимодействии специальных клеточных рецепторов для соответствующих внешних для клетки молекул-лигандов: гуморальных регуляторов, молекул внеклеточного матрикса и молекул поверхности соседних клеток.
Активация рецепторов этими лигандами вызывает индукцию сигнальных путей, меняющих внутренние структуры клеток и вызывающих адекватные ответы - индукцию псевдоподий, индукцию клеточного цикла, апоптоз, секрецию и так далее. В реакциях такого рода особую роль играют перестройки специальной динамической системы - ци-тоскелета.
ДИНАМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИТОСКЕЛЕТА
Цитоскелет образуют фибриллы трех типов, формирующие три системы: актиновые микрофи-ламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты. Все эти фибриллы образованы мономерами соответствующих белков: актина (часто в сочетании с миозином), тубулина и белков промежуточных филаментов: кератинов - в эпителиях, десми-на - в мышцах, виментина - в соединительной ткани. Мономеры этих белков полимеризуются, образуя фибриллы; имеют место и обратные процессы - разрывы фибрилл и их деполимеризация. Такая полимеризация-деполимеризация, рост и разрывы фибрилл делают цитоскелетные структуры реагирующими чрезвычайно динамично на все изменения микросреды через активацию и
инактивацию соответствующих сигнальных путей. Этот феномен называется "динамической нестабильностью" филаментов (Васильев, Гельфанд, 1981; Bershadsky, Vasiliev, 1988).
В клетке динамическая нестабильность фибрилл цитоскелета тонко регулируется теми ассоциированными с ними белками, которые способны изменять скорость полимеризации и деполимеризации этих фибрилл (Danowski, 1989; Hall, 1998); вследствие их активности длительность жизни индивидуальных фибрилл, например микротрубочек, колеблется в разных типах клеток и в разных внутриклеточных участках в очень широких пределах: от нескольких минут у микротрубочек ми-тотического веретена до многих дней - у микротрубочек в составе жгутиков или ресничек; длительность существования актиновых филаментов также весьма вариабельна - от нескольких минут в кортексе лейкоцита до многих дней - в составе миофибрилл мышц.
Среди ассоциированных с фибриллами цито-скелетных белков особое место занимают моторные белки, которые обеспечивают направленное перемещение вдоль фибрилл прикрепившихся к ним органелл, а также движение клетки в целом.
При взаимодействии клеток с микросредой определяющую роль играют разнообразные рецепторы в составе плазматической мембраны. Эти рецепторы могут быть подразделены на три главных вида: 1) рецепторы гуморальных сигнальных молекул межклеточной среды, 2) рецепторы молекул внеклеточного матрикса и 3) рецепторы межклеточных контактных молекул.
ФИБРОБЛАСТЫ И ИХ СОЦИАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КУЛЬТУРЕ
Фибробласты - наиболее распространенный вид клеток, используемый для изучения клеточных взаимодействий в культуре. Роль фибробла-стов в изучении социального поведения клеток высших животных можно сравнить с ролью кишечной палочки в изучении общих механизмов синтеза белка. Здесь мы кратко опишем организацию фибробластов, их взаимодействие с внеклеточным матриксом и с другими клетками.
Рецепторы гуморальных молекул (гормонов, факторов роста и других), располагающиеся в плазматической мембране, могут индуцировать или тормозить образование псевдоподий и через эту индукцию - изменение формы клеток и их движений. Некоторые рецепторы гуморальных сигналов (химиотаксические рецепторы), а также рецепторы молекул внеклеточного матрикса (коллагенов, фибронектина, ламинина и других) могут также индуцировать образование псевдоподий в
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.