БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 5, с. 1024-1035
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
УДК 576.3
РАННЕЕ РАЗВИТИЕ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ
© 2015 г. И.В. Огнева* ** ***
Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем РАН,
123007, Москва, Хорошевское шоссе, 76а; **Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова МЗ РФ,
119991, Москва, ул. Трубецкая, 8/2; ***Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт»,
188300, Гатчина Ленинградской области, Орлова роща E-mail: iogneva@yandex.ru
Поступила в p едакцию 03.06.15 г. Посте доpаботки 10.06.15 г.
Обзоp поcвящен pазличным аcпектам pаннего pазвития в уcловияx коcмичеcкого полета. Pа ccмотpены pазличные возможные клеточные меxаноcенcоpы. Обcуждены изменения в клеткаx, пpеимущеcтвенно немышечных, в уcловияx pеальной и моделиpуемой ми^о^авш^и^ П pед-cтавлены pезультаты pазличныx эмбpиологичеcкиx экcпеpиментов на pыбаx, земноводный, птицаx и млекопитающиx в микpогpавитационныx уcловияx, c обcуждением возможныx ^ичин pазвития моpфологичеcкиx изменений.
Ключевые слова: механочувствительность, микрогравитация, эмбриогенез, цитоскелет.
Появление жизни на Земле и эволюция вcеx живых оp ганизмов пpоиcxодили в уcловияx действия внешних физических полей - гравитационного и электромагнитного. Формирование клетки - элемента рной единицы стр оения всего живого, способной к самостоятельной жизнедеятельности, - именно в этих физических условиях означает, что ее собственные физические свойства должны были быть такими, которые позволят ей существовать при действии этих внешних физических полей.
Наиболее постоянным внешним физическим полем является, безусловно, гравитационное поле. Поскольку клетка сфор мировалась в условиях внешнего механического поля, то, с одной стороны, ее механические свойства должны быть такими, чтобы она могла функциониро-вать в условиях этого поля. С др угой стороны, клетка должна уметь реагировать на изменение внешних механических условий и, соответственно, адаптир оваться, не теряя при этом способность к самовоспроизведению и полноценной жизнедеятельности.
Как и любая механическая система во внешнем поле, клетка находится в напряженном (с механической точки зрения) состоянии. Она формирует структуру и внутреннее механическое напряжение в соответствии с вектором и амплитудой внешней силы. Изменение внешнего воздействия (его вектора, амплитуды) зако-
номерно приведет к изменению механического напряжения в клетке и возникновению деформаций. Уровень значимости и последствия этих деформаций для жизнедеятельности клетки будут зависеть от собственных механических ха-рактеристик клетки и чувствительности ее ме-ханосенсоров. Механосенсорами, в частности, могут быть внеклеточный матрикс и мембранные белки, механочувствительные и/или иные ионные каналы, структуры подмембраного ци-тоскелета, внутр иклеточные структуры.
ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНОС ЕНСО РЫ
Внеклеточный матрикс и мембранные белки.
Показано, что приложение р астягивающей силы к культуре нейронов или гладкомышечных клеток через внеклеточный матрикс приводит к увеличению полимеризации микротрубочек [1,2]. Интегрины, которые формируют связи с различными белками внеклеточного матрикса, такими как фибронектин и витронектин, образуют первичный уча сток трансдукции и поэтому могут рассматр иваться как механосенсор. С внутриклеточной стороны целый ряд белков локализуется около фокально-адгезивного комплекса, напрямую связываясь с а- или в-субъ-единицей интегринового гетеродимера. Среди этих белков - паксиллин, фокально-адгезивная киназа, кавеолин, причем паксиллин и фокаль-
но-адгезивная киназа сами могут связывать большое количество других белков, образуя своеобр азные каскады. К р оме того, тензин, аль-фа-актинин и филамин могут связывать интег-рины и подмембранный цитоскелет, поскольку имеют домены, взаимодействующие и с интег-ринами, и с актином [3]. Следует отметить, что альфа-актинин имеет не один домен для связи с актином и может формировать актиновую сеть. Структура фокально-адгезивного комплекса пр едставляет собой множество белков, расположенных в непосредственной близости друг от друга, что затрудняет анализ вклада каждого из них в механотрасдукцию и не позволяет выявить ведущую роль какого-либо из них. Однако представляется очевидным, что внешняя механическая сила может приводить к кон-формационным изменениям одного или нескольких белков фокально-адгезивного комплекса, запуская далее каскад нижележащих сигнальных путей.
Механочувствительные ионные каналы. Механическое растяжение клеточных мембран, например с использованием технологии «патч-кламп», меняет катион-транспортную активность механочувствительных ионных каналов в результате конформационных изменений либо липидного бислоя [4,5], либо воротных доменов самого канала [6,7].
Одним из наиболее хорошо охарактеризованных механочувствительных каналов является бактериальный Msd^, представляющий со -бой пору большого диаметра с низкой ионной селективностью. Этот канал обладает крайне высокой проводимостью - около 103 пСм [8] и может регулироваться натяжением мембраны, что было продемонстрировано в экспер иментах с использованием метода «патч-кламп». Увеличение натяжения мембраны, контролируемое путем варьирования глубины всасывания в пипетку, вызывает увеличение проводимости канала в случае, когда силы, действующие на канал, превышают определенную величину [8]. Авторы показали, что напряжение в этом случае составляет 10-2 Пам, т.е. чуть ниже, чем напряжения, приводящие к разр ыву (6-10-2 Па-м), что может иметь большое физиологическое значение, например, при разбухании бактериальной клетки вследствие осмотического шока. Результаты молекулярно-динамического моделирования [9], основанного на данных о кристаллической структуре Msd., показывают, что подобные изменения натяжения мембраны приведут к формированию поры диаметром примерно 0,5 нм [10]. В то же время эксперименты in vitro показывают, что диаметр открытой поры составляет 3-4 нм [11], хотя о стается вопр ос
об адекватности результатов подобного рода экспериментов ситуации in vivo.
П ри этом идентифицировано всего несколько механочувствительных каналов в эукарио-тических клетках: каналы семейства TRP, К(2Р)-каналы, MscS-подобные белки и DEG/ENaC-каналы [12].
Суперсемейство белков TRP (Transient Re-сер1ог Potential) состоит из различных катион-ных каналов. Эти каналы игр ают важную роль в клетках нервной системы и в невозбудимых клетках [13]. Подмембранный цитоскелет и ша-пероны могут влиять на регуляцию воротного механизма каналов этого семейства [14].
Двухпоровые (двухпроходные) К+-каналы, или К(2Р)-каналы, имеют четыре трансмембранных сегмента, активны в форме димера и широко распространены как в клетках возбудимых, так и невозбудимых тканей. Предполагается, что они игр ают важную роль в поддержании потенциала покоя во многих клетках. К(2Р)-каналы являются квазимгновенными, не-инактивируемыми (они активны пр и любом мембранном потенциале) и нечувствительными к классическим блокаторам К+-каналов. (TREK)-1 (TWIK-related K+-diannels) и TRAAK (TWIK-related am^don^ add-stimulated K+-Aannels) - это пер вые клонир ованные активируемые полиненасыщенными жирными кислотами механочувствительные ^-каналы [15].
Помимо калиевых каналов, как механочув-ствительные каналы могут быть рассмотрены и эпителиальные натриевые каналы (ENaCs), представляющие собой субсемейство ионных каналов в суперсемействе дегенpин/ENaC (DEG/ENaC). Эти ионные каналы были обнаружены в клетках различных натрийабсорби-рующих типов эпителия, и их активность является лимитирующей стадией поглощения натрия и скорости трансэпителиального движения воды (о смоса) [16]. Существует все больше доказательств того, что ENaC могут активиро-ваться механическими силами; как минимум напряжение сдвига при ламинарном течении жидкости может быть адекватным стимулом, имеющим физиологическое значение [17,18]. Гены этих высокоселективных Na+^аналов экс-прессируются в эпителии разных позвоночных, на которые действует напр яжение сдвига: дис-тальный отдел нефрона [17,19], эпителий легкого [20], сосудистая ткань [21-23], чувствительные нервные окончания, включая те, которые участвуют в механосенсорных процессах [24].
Подмембранный цитоскелет. На сегодняш-ний день роль подмембранного цитоскелета в регуляции ионных каналов можно считать вполне доказанной. Показано, что конденсация
кортикального актина под плазматической мембранной в результате действия ингибитора фос-фатаз каликулина А подавляет депо-зависимый вход кальция в гладкомышечных клетках в культуре [25], так же как и цитохалазин Б [26]. С использованием патч-кламп было показано, что актиновые микрофиламенты принимают участие в регуляции хлорных каналов [27,28], Ка+-К+-АТФазы [29], электровозбудимых натриевых каналов в клетках мозга [30], натриевых каналов в клетках реабсорбирующего эпителия [31]. Р азборка актиновых филаментов ци-тохалазином Б приводит к активации натриевых каналов в клетках линии К562, полимеризация актина на цитоплазматической стороне наружной мембраны клетки вызывает их инактивацию [32]. П ри этом фрагментация актиновых филаментов, ассоциированных с плазматической мембраной, вызванная цитозольными актинсвязывающими Са-чувствительными белками, подобными эндогенному гельзолину, может быть основным фактором, индуцирующим активность натриевых каналов в ответ на повышение внутриклеточной концентрации ионов кальция в клетках линии К562 [33,34].
К роме того, существуют данные, свидетельствующие о том, что ассоциация с богатыми холестерином липидными микродоменами плазматической мембраны (рафтами) может быть существенным фактором, определяющим активность интегральных мембранных белков, в том числе ионных каналов [35-40]. Нарушения структуры и целостности рафтов, обусловленные снижением уровня мембранного холестерина, пр епятствуют реализации клеточных функций, включающих перестройки актиновой сети [38,41]. Так, было показано, что частичная экстракция мембранного холестерина с помощью м
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.