ОНТОГЕНЕЗ, 2007, том 38, № 2, с. 120-125
ЭМБРИОГЕНЕЗ И КАНЦЕРОГЕНЕЗ
УДК 591
РЕОРГАНИЗАЦИИ ЦИТОСКЕЛЕТА - ОСНОВА МОРФОГЕНЕЗА
© 2007 г. Ю. М. Васильев
НИИ физико-химической биологии им. А Н. Белозерского МГУ им. М.В. Ломоносова 119992 Москва, ГСП-2, Ленинские горы НИИ канцерогенеза ГУ РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН 115478 Москва, Каширское шоссе, д. 24 E-mail: yuvasiliev@yahoo.com Поступила в редакцию 14.08.06 г.
Дан краткий обзор динамической структуры цитоскелета в клетках двух типов - фибробластах и эпителиоцитах. Описаны различия функций у-актиновых филаментов и ß-актин-миозиновых пучков. Тубулогенез и ангиогенез рассматриваются как следствия частичного эпителиомезенхимного превращения, а неопластическая трансформация - как следствие дефектности у-актин-миозиновых пучков.
Ключевые слова: цитоскелет, фибробласт, эпителиоцит, актин, миозин, эпителиомезенхимное превращение, неопластическая трансформация.
УНИКАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИТОСКЕЛЕТА
Чем дальше и глубже ведется анализ молекулярных механизмов морфогенетических процессов в онтогенезе, тем яснее становится, что центром этих механизмов являются реорганизации цитоскелета. Цитоскелет - одна из основных структур клеточной цитоплазмы, имеющая многие особые черты. Цитоскелет состоит из нескольких основных групп белковых фибрилл, каждая из которых возникает в результате полимеризации одного определенного типа белковых мономеров. Дополнительные белки прикрепляются к этим фибриллам снаружи, но не входят в их основной состав (Ве^а^ку, Vasiliev, 1988). Основные группы цитоскелетных структур во внемышечных клетках составляют:
а) микротрубочки - полимеры тубулина, б) ак-тиновые филаменты, по крайней мере, двух видов, состоящие соответственно из у- или в-изо-форм актина ( Dugina et а1., 2004; Дугина и др., 2006), и в) промежуточные филаменты, состоящие из белков одной группы, но разных видов в разных тканях, - кератины в эпителиях, виментин в мезенхимных тканях и т.д. Для этих цитоскелетных структур характерна высокая динамичность. Фибриллы в большинстве клеток все время удлиняются за счет полимеризации или укорачиваются за счет деполимеризации. Они могут менять свое положение и отношение к другим компонентам клетки. Особый интерес представляет внутреннее движение мономеров вдоль фибриллы, когда они перемещаются, не нарушая целостности или положения фибриллы, за счет полимери-
зации на одном конце и деполимеризации - на другом. Этот особый вариант динамики, очень распространенный в структурах цитоскелета, позволяет назвать такие фибриллы "фибриллярными потоками", идущими внутри цитоплазмы. По этим потокам вдоль фибриллы могут двигаться особые "молекулярные суда" - моторы, такие как кинезины и динеины; к этим моторным молекулам могут быть прикреплены различные мембранные органеллы и рибосомы и, вероятно, ядро. В результате вдоль потока происходит перемещение структур цитоплазмы. Мы еще недостаточно знаем о жидкой среде - цитозоле, в которой происходит жизнь и движение цитоскелетных потоков. В таком цитозоле много цитоскелетных мономеров, а также белков, регулирующих деполимеризацию фибрилл: гельзолинов, кофи-линов и других. Цитоскелетная динамика контролируется многими регулирующими системами. Главная из изученных систем такого рода - группа малых ГТФаз Rho, включающая белки RhoA, RhoC и CDC42. Эта система регулирует состояние миозина и его взаимодействие с актиновыми фибриллярными потоками, а также полимеризацию актина на переднем крае клетки и его деполимеризацию при воздействии кофилина.
В целом цитоплазма, наполненная цитоскелет-ными структурами, является совершенно особым образованием, чем-то вроде покрытого мембраной бассейна. Внутри и по краям этого бассейна непрерывно движутся фибриллярные потоки -"ленты". По этим "лентам" движутся молекулярные моторы и органеллы, а формы этих "лент"
Схема организации цитоскелета в контрольном фибробласте (а) и фибробласте, обработанном блебистатином, который вызвал исчезновение актин-миозиновых пучков (6). ( -) - у-актиновые филаменты; ^ТТ) - пучки из в-актина
и миозина II, на концах пучков - фокальные контакты; ( ) - микротрубочки. (Для упрощения схемы число фибрилл каждого типа резко уменьшено по сравнению с действительно присутствующим в цитоплазме.)
постоянно меняются. Ничего похожего в технической человеческой практике мы не знаем.
ЦИТОСКЕЛЕТ ФИБРОБЛАСТА
В качестве примера конкретной организации цитоскелета мы рассмотрим фибробласт - наиболее изученную в этом отношении эукариотиче-скую клетку. Возможно, и даже вероятно, что фибробласт представляет собой прототип всех мезенхимных клеток.
В этой краткой статье мы не будем пытаться дать полный обзор данных о цитоскелете фиб-робласта, а рассмотрим лишь некоторые новые результаты, в том числе полученные в последнее время в работах нашей группы.
В цитоплазме фибробласта есть несколько основных фибриллярных потоков (рисунок, а): поток микротрубочек; связанный с ним поток промежуточных филаментов и потоки микрофиламен-тов, разделяющиеся на два типа - у-актиновых филаментов и связанных с миозином в-филамен-тов. Рассмотрим каждый из них чуть подробнее.
Поток микротрубочек начинается в районе центросомы, где они нуклеируются и двигаются к периферии. На периферии возле края клетки микротрубочки могут поворачиваться. По ходу
движения к периферии микротрубочки могут разрываться, испытывать "катастрофы" (переходить от роста к распаду), затем опять переходить к росту и т.д.
Поток промежуточных филаментов, связанный с микротрубочками. Эти фибриллы растут из неизвестного источника вблизи центра клетки вдоль микротрубочек и параллельно им. При разрушении последних промежуточные филаменты испытывают коллапс, т.е. собираются вокруг ядра, уходя с периферии. Есть данные, что для стабильного расположения промежуточных филаментов на периферии и для предотвращения коллапса необходимо нормальное состояние актиновых филаментов, которые, по-видимому, растягивают пучки промежуточных филаментов.
Поток у-актиновых филаментов зарождается на периферии клетки на ее активном крае за счет специального полимеризующего механизма. Эти филаменты образуют затем сеть, движущуюся к центру клетки навстречу микротрубочкам. Такая сеть разделяется на верхний и нижний кор-текс и в итоге покрывает всю клетку. На периферии нижняя часть сети у-актиновых филаментов входит в контакт с субстратом и образует специальные фокальные комплексы - зачаток фокальных контактов клетки с субстратом. В фокаль-
ных комплексах участвуют интегрины - компоненты внеклеточного матрикса - и специальные белки: паксилин, винкулин и другие, соединяющие субстрат с актиновым микрофиламентом. Расположение фокальных комплексов определяет границу между периферической, чисто у-акти-новой, частью микрофиламентной системы, так называемой ламеллоподией, и более внутренней частью, где наряду с сетью у-филаментов образуется также второй тип микрофиламентных потоков.
Пучки ß-актиновых филаментов. Точное место возникновения таких филаментов неясно, скорее всего, они начинают полимеризоваться из мономеров вблизи фокальных контактов. Так или иначе пучки ß-филаментов растут центростремительно от таких фокальных комплексов до внутренней части клетки, а иногда и дальше, до ее хвостовой части. В состав пучков ß-актиновых филаментов всегда входят миозиновые филамен-ты и миозин IIb, по-видимому, полимеризующий-ся одновременно с ними или где-то в цитоплазме и немедленно встраивающийся в состав пучков. Заметим, что угнетение активности миозина IIb блебистатином или другими ингибиторами немедленно приводит к разрушению всего пучка (Шутова, Александрова, 2006). Поэтому можно думать, что миозин IIb играет организующую роль в формировании такого пучка. Опыты с ингибиторами миозина IIb дают также принципиально новые данные для понимания механизмов функций двух типов микрофиламентных структур в клетке.
Как уже сказано, такие ингибиторы, например блебистатин, угнетают образование пучков, состоящих из ß-актина и миозина, а также снимают актин-миозиновое натяжение, существующее в клетке и развиваемое такими пучками. В то же время сеть у-актиновых филаментов остается мало измененной (рисунок, б). В клетках, обработанных блебистатином или другими ингибиторами, движения по субстрату происходят с той же или даже с большей скоростью, чем в контрольной. Следовательно, эти движения могут осуществляться и без участия миозина и актин-мио-зиновых пучков. Наиболее вероятным механизмом таких движений является направленная полимеризация у-актина на переднем конце клетки и постепенная деполимеризация его в теле клетки. Мономеры актина, возникающие в результате деполимеризации, переносятся затем к переднему краю (Zicha et al., 2003). Главное отличие клетки, обработанной блебистатином, от контрольной состоит в том, что, хотя тело клетки движется вперед, на заднем ее конце постепенно образуется длинный узкий "хвост", содержащий в основном микротрубочки и промежуточные фи-ламенты. Этот "хвост" пассивен и активно передвигаться не может. Таким образом, если у-акти-
новая сеть нужна для перемещения тела клетки вперед, то Р-актин-миозиновые пучки необходимы для подтягивания заднего конца клетки и сокращения хвостового отростка.
Микротрубочки и, возможно, связанные с ними промежуточные филаменты имеют множество функций, наиболее очевидная из которых -обеспечение поляризации клеточной формы и движений. При разрушении микротрубочек с сопровождающим его коллапсом промежуточных филаментов у клетки нарушается разделение на активные и стабильные края: форма ее становится неправильной, а способность к направленному движению исчезает, причем ламеллоподии продолжают образовываться по всему краю. У клетки с деполимеризованными микротрубочками появляется большое число актин-миозиновых пучков. Это является результатом того, что из разрушенных микротрубочек в цитоплазму выделяется фактор, индуцирующий образование пучков (Крендель, 2003). Нарушение поляризации не связано с этим эффектом. Клетки с деполяризованными микротрубочками при разрушении пучков ингибитором все равно теряют полярность (Оте
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.