научная статья по теме МЕXАНИЧЕCКИЕ ОБPАТНЫЕ CВЯЗИ В МОPФОГЕНЕЗЕ И КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕPЕНЦИPОВКЕ Биология

Текст научной статьи на тему «МЕXАНИЧЕCКИЕ ОБPАТНЫЕ CВЯЗИ В МОPФОГЕНЕЗЕ И КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕPЕНЦИPОВКЕ»

БИОФИЗИКА, 2008, том 53, вып.6, с. 1038-1043

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 577.3

МЕХАНИЧЕСКИЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В МОРФОГЕНЕЗЕ И КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКЕ

© 2008 г. Л.В. Белоусов, Т.Г. Трошина, А.Н. Мансуров

Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва,

Воробьевы горы E-m ail: m orphogenesis@yandex. ru Поступила в редакцию 26.06.08 г.

Обзор посвящен изучению механических напряжений и механических обратных связей на клеточном уровне. Показаны зависимость реакции клеток и эмбриональных тканей от внешних механических напряжений и их способность самим генерировать механические напряжения. Между внешними (пассивными) и внутренними (активными) механическими напряжениями устанавливаются обратные связи, которые необходимы для выживания клеток, определяют направление их дифференцировки и обеспечивают самоорганизацию морфогенетических процессов. Приводятся соответствующие экспериментальные данные и рассматриваются модели механических обратных связей.

Ключевые слова: морфогенез, клеточная дифференцировка, механические напряжения в клетках.

Процессы, протекающие в ходе эмбрионального развития многоклеточных организмов, могут быть разделены на две категории. Первая из них - морфогенез, т.е. изменения формы зародышей и их частей, а вторая - клеточная дифференцировка, т.е. специализация отдельных клеток, в основе которой лежит экспрессия специфических генов и синтез соответствующих белков. В процессах обоих типов по ходу развития происходит многократное «спонтанное» (лишенное какой-либо «матрицы» для однозначного спечатывания) усложнение пространственной организации зародыша. По этому критерию процессы развития относятся к кругу явлений самоорганизации и должны рассматриваться и анализироваться (как при модельном подходе, так и в эксперименте) в понятиях обратных связей, динамического и параметрического управления [1]. Соответствующие этим требованиям модели стали появляться в 70-е годы прошлого века. Они были основаны на принципах химической кинетики, и развивающийся организм в них рассматривался как активная жидкая среда с автокаталитическими реакциями и диффузией. Быстрое развитие знаний о существенно «твердотельных» и механически активных внутриклеточных структурах, начавшееся в те же годы, сделало, однако, такие представления мало реалистичными. Вскоре появились теоретические соображения

Сокращение: МН - механические напряжения.

[2] и экспериментальные данные [3], показавшие что механические силы или, точнее, механические напряжения (МН), под которыми понимаются сбалансированные (безинерционные) силы, отнесенные к единице площади, могут обеспечивать закономерную самоорганизацию как на уровне отдельных клеток, так и целых зародышей не менее эффективно, чем в значительной мере гипотетические хемо-диффузион-ные факторы. В настоящей статье дается краткий обзор соответствующих данных и приводятся новые оригинальные экспериментальные результаты.

МЕХАНИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ КАК ФАКТОРЫ САМООРГАНИЗАЦИИ В КЛЕТОЧНЫХ КУЛЬТУРАХ

И ЭПИТЕЛИАЛЬНЫХ ПЛАСТАХ

Впервые данные о пространственной самоорганизации клеточных культур на чисто механической основе были получены в работе [3]: если на твердом, недеформируемом субстрате клетки располагались без видимой упорядоченности, то на субстратах, достаточно эластичных для их растяжения отдельными клетками, наблюдалось формирование закономерно расположенных зон клеточных сгущений и разрежений. Была построена модель, интерпретирующая данный процесс как сочетание «положительного близкодействия» клеток (увеличения их контактных зон) с «отрицательным дальнодействием», связанным с растяжением субстрата

клетками. Данный принцип был ранее использован в хемо-диффузионных моделях, но теперь он получил экспериментально верифицируемую основу. Сходный принцип был использован в модели [4], где удалось воспроизвести масштабно-инвариантное расчленение эпителиев на зоны столбчатых и растянутых клеток. Это позволило впервые создать модель классического феномена эмбриональных регуляций (который более ста лет тому назад его открыватель, немецкий эмбриолог Г. Дриш рассматривал как процесс, принципиально необъяснимый физикой).

МЕХАНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

И КЛЕТОЧНЫЕ РЕАКЦИИ НА НИХ КАК УСЛОВИЯ ВЫЖИВАНИЯ, ПРОЛИФЕРАЦИИ И СПЕЦИФИЧЕСКОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ КЛЕТОК

В работе [5] описан замечательный факт гибели клеток (путем включения программы апоптоза), посаженных на столь малые «островки» субстрата, на которых они не могли осуществить самонатяжение. В то же время на больших, пусть даже и «дырявых» островках (когда может осуществиться сборка актинового цитоскелета), они выживают. При посадке клеток на субстраты, где рисунок натяжений задавался микрорельефом, наибольшая пролифе-ративная активность была приурочена к зонам наибольших натяжений [6]. Размер островков может использоваться также для задания направления дифференцировки стволовых клеток: на маленьких островках они дифференцируются в жировые клетки, на больших - в остеоциты [7]. Весьма эффективным фактором специфической дифференцировки оказалась жесткость субстрата: мезенхимные стволовые клетки человека на наиболее мягких субстратах (0,1 -1,0 кПа) дифференцировались в нервные клетки, на субстратах промежуточной жесткости (8 -17 кПа) - в миобласты, а на самых жестких субстратах (25 - 40 кПа) - в остеоциты [8]. При этом набор растворимых ростовых факторов в культуральной среде был во всех случаях одинаковым. В работе [9] предполагается, что культивирование клеток на чрезмерно жестких субстратах может явиться стимулом к их малигнизации.

Следует подчеркнуть, что во всех перечисленных случаях наиболее быстрая реакция на субстраты разной жесткости и/или геометрии выражалась в изменении формы клеток. Например, на мягких субстратах происходило выбрасывание тонких филоподий, на субстратах средней жесткости - приобретение клеткой ве-

ретеновидной формы, а на самых жестких -превращение в тонкий диск. При этом пропорционально жесткости субстрата изменялось и натяжение клеточной поверхности. Это говорит об активной реакции клеток на механогеомет-рические свойства субстрата. Хотя, по всей видимости, универсальной мишенью как для механических, так и для химических факторов дифференцировки являются малые ГТФазы группы RhoA, именно форма клетки (задаваемая, например, размером «островка» субстрата) определяет, будет ли RhoA активирован или, наоборот, инактивирован. Поэтому «сама по себе клеточная форма является ведущим фактором в развитии» [7]. В случае активации RhoA в клетках развивается натяжение акто-миозиновой природы, которое, в частности, способствует «созреванию» (агрегации субъединиц) так называемых фокальных контактов -структур, связывающих через посредство бел-ков-интегринов внеклеточный матрикс с цито-скелетом и передающих механические силы порядка единиц - десятков пиконьютонов на одну молекулу интегрина [10]. В результате между фокальными контактами и RhoA-белками возникает петля положительной обратной связи, наращивающей натяжение. К тому же, с фокальными контактами связана особая тирозин-киназа - :Тоса1 adhesion kinase (FAK), которая считается одним из главных клеточных меха-носенсоров. При наложении на нее физиологических значений механических напряжений она активирует митогенный сигнальный путь, способствующий клеточной пролиферации [11].

О существовании большого количества (порядка нескольких десятков) механозависимых генов, активируемых силами растяжения, давления или, наоборот, релаксацией, было известно давно, но соответствующие данные относились главным образом к тканям взрослых организмов, которые и без того были известны как механозависимые (костная, хрящевая и соединительная ткань, склера глаза и др.). Поэтому большой интерес вызвала работа [12], в которой была четко показана механозависи-мость гена Armadillo, от которого зависит развитие передней части кишечника у зародыша дрозофилы. Был расшифрован и молекулярный механизм активации этого гена - оказалось, что даже кратковременное искусственное механическое давление вызывает миграцию регуля-торного белка Р-катенина из подмембранной зоны цитоплазмы в клеточное ядро, результатом чего и является активация Armadillo. Наверняка, однако, этот способ активации не является универсальным. Имеются утверждения, что на активацию определенных групп генов

прямое воздействие оказывает деформация клеточных ядер под влиянием механических сил [13] или высвобождение Са 2+ из околоядерного депо [14].

Бегло перечисленные в данном обзоре сведения по механозависимой клеточной диффе-ренцировке уже сегодня открывают широкие перспективы для клеточной и тканевой биоинженерии. Не менее важны они и для фундаментальной биологии развития. Обнаружение столь специфических реакций клеток на такие простые, низкоспецифичные факторы (и притом действующие одновременно на разные структурные уровни), как механические напряжения, позволяет вывести теоретические построения из заколдованного круга так называемой «нере-дуцируемой сложности» (кгеёишЫе сотр1ехку). Речь идет, например, об утверждениях, что активация или репрессия определенных генов определяется другими, ранее экспрессированными генами, и так до бесконечности. Теперь мы имеем право поставить в начало подобных цепей простой неспецифический фактор - механические напряжения. Конечно, взамен возникает другая проблема - каким образом клетки реагируют на размытые и, как правило, градуальные механические воздействия дискретным образом, порождая весьма ограниченный набор окончательных состояний? Иными словами - как неспецифичное переходит в специфичное, более простое - в более сложное? Но как раз такие, на первый взгляд, парадоксальные свойства и характерны для самоорганизующихся систем. В них нет ничего невероятного, но их уяснение требует дальнейшей интенсивной совместной работы теоретиков и экспериментаторов.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ

В МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ЗАРОДЫШАХ

Можно ли представить себе развитие многоклеточных организмов (включая как морфогенез, так и клеточную дифференцировку) как цепь обратных связей между некоторыми динамич

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.

Показать целиком