научная статья по теме МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕРЕЗ ЩЕЛЕВЫЕ КОНТАКТЫ В ЭМБРИОНАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТКАХ Биология

Текст научной статьи на тему «МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕРЕЗ ЩЕЛЕВЫЕ КОНТАКТЫ В ЭМБРИОНАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТКАХ»

БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 1, с. 99-104

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =

УДК 576.5

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕРЕЗ ЩЕЛЕВЫЕ КОНТАКТЫ В ЭМБРИОНАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТКАХ

© 2011 г. Ю.Ю. Шаровская

Научно-исследовательский институт физико-xимической биологии им. А .Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Воробьевы горы,1

E-mail: yush37@mail.ru Поступила в p едакцию 19.04.10 г.

Статья посвящена последнему научному проекту Левона Михаиловича Чайлахяна по изучению роли локальных межклеточных взаимодействий в поддержании плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток и в процессах их спонтанных мультитканевых дифференцировок. Для работы над проектом в 2008 году Левон Михайлович собрал группу сотрудников из Института общей генетики им. Н .И. Вавилова PАН и НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ. В последний месяц жизни Левон Михайлович написал статью по первым результатам этой р аботы [1]. Работа над пр оектом пр одолжается и в настоящее время.

Ключевые слова: щелевые контакты, межклеточные коммуникации через щелевые контакты, эмбриональные стволовые клетки, дифференцировка.

В последние годы биология стволовых клеток является одной из наиболее активно развивающихся областей в биомедицинских исследованиях, что связано с совершенствованием методов клеточной восстановительной тер апии и клеточной инженерии. Стволовые клетки из ранних эмбрионов млекопитающих - эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) - обладают двумя выдающимися свойствами: они способны к неограниченному самовозобновлению и к преобразованию в любой тип клеток организма (так называемая плюрипотентность) [2]. Вследствие такой способности, ЭСК являются идеальной модельной системой для изучения условий и факторов, связанных с их плюрипо-тентностью и для изучения дифференцировок в разнообразные специализированные клеточные типы.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ЩЕЛЕВЫЕ КОНТАКТЫ

Существенную р оль в сохр анении стабильности клеточной популяции и в ее последующей дифференцировке играют локальные межкле-

Сокращения: ЩК - межклеточные щелевые контакты, МКЩК - межклеточные коммуникации через ЩК, ЭСК -эмбриональные стволовые клетки, чЭСК - эмбриональные стволовые клетки человека, мЭСК - эмбриональные стволовые клетки мыши, Сх43 - коннексин 43, - малые интерферирующие РНК.

точные взаимодействия. Одним из основных механизмов таких взаимодействий являются щелевые контакты (ЩК), которые в активном состоянии обеспечивают интенсивную диффузионную связь между соседними клетками [3]. Щелевой контакт формируется из каналов, каждый из которых образован из двух полуканалов - коннексонов, локализованных в мембранах двух контактирующих клеток. Каждый коннексон состоит из шести субъединиц семейства интегральных мембранных белков - кон-нексинов (Сх) [4,5]. В настоящее вр емя в геноме человека идентифицирована 21 изоформа кон-нексина и 20 изоформ в геноме мыши [6,7]. Соединенные между собой коннексоны образуют прямой гидрофильный канал между цитоплазмами двух соседних клеток, по которым растворимые в воде вещества с молекулярной массой не более 1000 Да и максимальным диаметром около 1,5 нм пассивно диффундируют из клетки в клетку, минуя наружную ср еду [4,8]. Список этих веществ включает в себя неорганические ионы (Ка+, К+, Са2+, Н+, С1-), вторичные месенджеры (циклические нуклеотиды, инозитолтрифосфат), аминокислоты, клеточные метаболиты (глюкозу, аденозин, АМФ, АДФ, АТФ), микро РНК [9,3,10,11]. Каналы, сформированные из различных коннексинов, существенно отличаются по проницаемости и селективности к специфическим молекулам. Напр и-мер, щелевые контакты, образованные из кон-нексина 43, обеспечивают перено с метаболитов

99

7*

100

ШАPОВCКАЯ

глюкозы (АМФ, АДФ и АТФ) во много pаз лучше, чем Cx32-каналы. В то же вpемя пеp ено c аденозина значительно эффективнее осуществляют каналы, cфоpмиp ованные коннекcином 32 [12]. Подобная cелективноcть cвязана cо спо-cобноcтью коннекcинов фоpмиp овать каналы c pазной величиной внутpенней поpы, заpяда и cp одcтвом к опpеделенным молекулам. Между коннексиновой поpой и цитоплазматичеcкой молекулой пpоиcxодит выcокоcпецифичное взаимодейcтвие, опpеделяющее какие молекулы и как xоpошо могут пpоxодить чеpез коннек-cиновый канал [13].

В настоящее вpемя показано, что локальные межклеточные взаимодействия на основе ЩК вовлечены в pазличные клеточные пpоцессы, включая поддеpжание клеточного гомеоcтаза, контp оль клеточной пpолифеpации и миграции, функциониpование неpвной cиcтемы, канцерогенез и апоптоз, и, таким обpазом, могут определять судьбу отдельной клетки [3,14-18].

РОЛЬ ЩЕЛЕВЫХ КОНТАКТОВ В П РОЦЕССАХ ЭМБРИОНАЛЬНОГО

РАЗВИТИЯ И ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ

Активно исследуется роль межклеточной коммуникации через ЩК (МКЩК) в процессах эмбрионального развития, в процессе индукции и дифференцировки [19,20]. Экспрессия мРНК коннексинов обнаружена в ранних эмбрионах мыши на всех стадиях развития, начиная со стадии двух бластомеров [21]. Встраивание кон-нексина в клеточную мембрану и образование структуры щелевого контакта происходит в мышиных и человеческих эмбрионах, начиная с четыр ех- и восьмиклеточной стадии [22,23]. Функционирующие ЩК в эмбрионах мышей впервые наблюдаются на восьмиклеточной стадии [24] и позднее у человека - на стадии бластоцисты, в клетках трофэктодермы и внутренней клеточной массы [25].

При дальнейшем эмбриональном развитии изменяется характер диффузионного обмена между различными структурами зародыша. Первоначально все клетки эмбр иона электрически связаны, а кра ситель, инъецир ованный в одну из клеток, быстро распространяется во все остальные. В процессе дифференцировки происходит прогрессивная потеря диффузионной связи между образующимися тканями, в то время как связь в группах клеток с одинаковым напр авлением развития стр ого сохраняется. Так, в эмбрионах мышей после имплантации клетки внутренней клеточной массы остаются хорошо связанными между собой, но распространение красителя в соседние трофобласты снижается

[24]. При гаструляции эмбриона мыши клетки внутри каждого раннего зар одышевого листка сохраняют связь друг с другом, в то время как краситель не пр оникает сквозь гр аницу между зародышевыми листками. В дальнейшем внутри эмбриональной эктодермы и мезодермы клетки могут разделяться на более мелкие коммуникационные домены [26].

Изменения в межклеточной диффузии согласуются с реорганизацией экспрессии коннек-синов. До имплантации эмбриона мыши, на стадии бластоцисты Сх43 и Сх31 пр исутствуют как в клетках внутренней клеточной массы, так и в клетках трофэктодермы. Сразу после имплантации происходит полное р азделение: мРНК и белок коннексина 31 экспрессируются исключительно в клетках, происходящих из тро-фэктодермы, а мРНК и белок коннексина 43 обнаруживаются в клетках, происходящих из клеток внутренней клеточной массы [27]. Так как Сх43 и Сх31 не способны формировать функциональные гетероканалы [28], то указанное распределение этих коннексинов обеспечивает разделение производных трофэктодермы и внутренней клеточной массы на два «коммуникационных компар тмента».

Таким образом, в настоящее время показано, что в ранних эмбрионах связь через ЩК поддерживается между клетками одного и того же зародышевого листка, но отсутствует между тканями с различным направлением развития. Предполагается, что такая организация «коммуникационных компартментов», созданных при помощи ЩК, обеспечивает передачу специфических сигналов между клетками, тем самым определяя одинаковую судьбу этой группы клеток [29].

ЩЕЛЕВЫЕ КОНТАКТЫ В ЭМБРИОНАЛЬНЫХ

СТВОЛОВЫ X КЛЕТКАХ

Новые возможности для изучения роли межклеточных коммуникаций через ЩК в процессах дифференцировки открылись с появлением стабильных клеточных культур эмбриональных стволовых клеток. Возникла задача исследования роли МКЩК как в сохранении плюр ипо-тентности ЭСК, так и в процессе их преобр а-зования в различные клеточные типы [30].

Эмбриональные стволовые клетки получают из внутренней клеточной массы бластоцисты на самых ранних стадиях развития эмбриона. В 1981 г. были получены культуры ЭСК мышей (мЭСК) [31], а в 1998 г. Томсон с коллегами впервые получили стабильные клеточные линии ЭСК человека (чЭСК) [32]. Методы, используемые при

исследовании ЩК в эмбриональных стволовых клетках, подробно описаны в работе [33].

Вопрос о роли МКЩК в стволовых клетках в настоящее вр емя активно дискутируется. Было обнаружено, что в некоторых линиях взрослых стволовых клеток так же, как во многих раковых клетках, отсутствуют как экспрессия кон-нексинов, так и диффузионный обмен через ЩК [34,35]. На основе этих данных Троско сфор мулировал «теорию рака из стволовых клеток» [36]. Утверждается, что отсутствие межклеточной связи через ЩК является характеристикой взрослых стволовых клеток, а наличие обмена через ЩК является признаком дифференцированных клеток. Предполагается, что эти несвязанные стволовые клетки и являются мишенью для канцерогенных воздействий.

В отличие от некоторых взрослых стволовых клеток, в культивируемых линиях ЭСК мышей, так же как в ранних эмбрионах, обнаружена экспрессия коннексинов и функциональная связь через ЩК [37]. В недифференцированных ЭС К мышей экспрессируется мРНК семи коннексинов (Сх26, Сх30.3, Сх31, Сх32, Сх37, Сх43, Сх45), однако экспр ессия белка определяется только для Сх31, Сх32 и Сх43. Сформированные из этих коннексинов ЩК обладают высокой проницаемостью для меток с низкой молекулярной массой, таких как нейробиотин (287 Да; зар яд +1). этидийбромид (394 Да; заряд + 1), люциферовый желтый (443 Да; заряд -2) вне зависимости от их зар яда. Инъецированный в ЭСК мыши родамин-декстран (10000 Да) окрашивает только исходную клетку, что указывает на отсутствие плазматических мостиков между клетками [38].

В 2004 г. впервые показаны как экспрессия мРНК и белка Сх43 и Сх45, так и межклеточный обмен флуоресцентным красителем люциферо-вым желтым через ЩК в культурах эмбриональных стволовых клеток человека [39,40]. Подробное исследование щелевых контактов в чЭСК проведено в работе [41]. В культурах чЭСК обнаружена экспр есс

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