ОНТОГЕНЕЗ, 2013, том 44, № 3, с. 186-202
= ЭМБРИОГЕНЕЗ И КАНЦЕРОГЕНЕЗ
УДК 591
РОЛЬ ВИМЕНТИНА В МИГРАЦИИ КЛЕТОК
© 2013 г. И. С. Черноиваненко1, Ан. А. Минин1, А. А. Минин2
1 Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 119334 Москва, ул. Вавилова, д. 26 2 Институт белка РАН, 142290Московская обл., г. Пущино, ул. Институтская, д. 4 E-mail: alexminin@gmail.com Поступила в редакцию 09.08.12 г. Окончательный вариант получен 22.11.12 г.
Миграция клеток является процессом, играющим роль в эмбриональном развитии, заживлении ран и регенерации, воспалении и иммунном ответе, а также метастазировании злокачественных опухолей. Виментин — один из маркеров мигрирующих клеток, но его роль в миграции клеток остается недостаточно изученной. Однако в последнее время появляется все больше данных о новых функциях виментина, связанных с миграцией, таких как определение полярности мигрирующей клетки, регуляция образования различных клеточных контактов, организация и транспорт сигнальных белков, участвующих в регуляции клеточной подвижности. В обзоре суммированы последние представления о функциях виментина и его участии в молекулярных механизмах, лежащих в основе миграции клеток.
Ранние работы показали, что экспрессия виментина в процессе эмбрионального развития ассоциирована с мигрирующими клетками. Однако после получения мышей, нокаутных по гену вименти-на, но без видимых нарушений в развитии и способности к размножению, появились большие сомнения в необходимости виментина для миграции клеток в эмбриональном развитии. В настоящем обзоре мы также рассматриваем проблему участия виментина в процессах миграции на разных стадиях развития и делаем попытку объяснить существующие противоречия в трактовке роли вимен-тина в различных событиях клеточной миграции.
Ключевые слова: миграция клеток, виментин, промежуточные филаменты, эмбриональное развитие.
DOI: 10.7868/S0475145013030026
ВВЕДЕНИЕ
Миграция представляет собой направленное движение клеток в ответ на внеклеточные стимулы, такие как цитокины и факторы роста, а также изменение химических или механических свойств субстрата. В многоклеточном организме в нормальных условиях миграция наряду с адгезией клеток разных типов и клеточных пластов является универсальным процессом, который определяет формирование и поддержание правильного расположения многоклеточных структур, а при эмбриогенезе — формирование различных органов и тканей. При повреждениях органов и тканей миграция клеток играет ведущую роль в защитных процессах, таких, как заживление ран, воспаление, иммунный ответ. Генетические дефекты механизмов миграции клеток приводят как к нарушениям развития организма в целом или даже гибели эмбриона, так и к нарушению его отдельных функций во взрослом состоянии. Особое место занимает миграция клеток в канцерогенезе, так как лежит в основе метастазирования раковых опухолей (Comen et al., 2011).
В основе миграции лежит клеточная подвижность: как перемещение внутриклеточных компонентов и структурных элементов клетки, так и движение самой клетки относительно субстрата. В мигрирующих клетках внутриклеточная подвижность характеризуется полярной морфологией — имеется передний и задний край, при этом на переднем крае образуются выросты, так называемые ламеллоподии и филоподии, которые обеспечивают протрузию переднего края клетки, а в остальной клетке и ее задней части преобладают акто-миозиновые пучки или стресс-фибриллы, сокращение которых обеспечивает подтягивание тела клетки. Недавно появилась новая работа, в которой обнаружен новый тип миграции клеток в ЗЭ-окружении, в этом случае на переднем крае клетки образуются так называемые лобоподии (РеМе й а1., 2012). Для того чтобы клетка двигалась в определенном направлении, она должна поддерживать правильно ориентированную полярность на протяжении всего движения. Механизмы, определяющие выбор и поддержание определен-
ного направления, интенсивно изучаются на протяжении нескольких десятков лет.
Полярная морфология клетки формируется и поддерживается цитоскелетом. В обеспечении полярности участвуют все три основных компонента цитоскелета — актиновые микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты (Pollard, Borisy, 2003). Актин выполняет двоякую роль в миграции клеток. С одной стороны, актиновые мик-рофиламенты являются компонентом цитоскеле-та, обеспечивающим механическую основу движения клетки. С другой стороны регуляция формирования актинового цитоскелета играет основную роль в поляризации клетки. Полимеризация акти-новых микрофиламентов на переднем крае обеспечивает рост ламеллоподий и филоподий, а в задней части клетки происходит сокращение стресс-фибрилл, которые представляют собой пучки ак-тиновых и миозиновых филаментов. Формирование структур актинового цитоскелета разных типов в разных частях мигрирующей клетки регулируется внешними факторами через систему регуляторных белков и вторичных посредников. Важнейшую роль при этом играют малые ГТФ-азы семейства Rho, включая Racl, RhoA и Cdc42. Регулируемая активность малых ГТФ-аз лежит в основе клеточной подвижности, связанной с актином, а полярная регуляция активности этих белков в цитоплазме обеспечивает переднезаднюю полярность организации актиновых структур в мигрирующей клетке (Pollard, Borisy, 2003).
Микротрубочки также играют важную роль в определении направления движения клетки. Преимущественная переднезадняя направленность микротрубочек в поляризованной клетке поддерживает вытянутую морфологию мигрирующей клетки. Кроме того, участвуя в регуляции активности малых ГТФ-аз, система микротрубочек участвует в формировании полярности клетки: на переднем крае клетки она определяет места формирования ламеллоподий и активирует полимеризацию актина через Racl (Vasiliev et al., 1970; Wittmann,Waterman-Storer, 2001); на заднем крае — влияет на сократимость актомиозиновых комплексов через RhoA (Krendel et al., 2002). Кроме того, микротрубочки обеспечивают полярное распределение различных органелл и их правильное позиционирование в мигрирующей клетке за счет транспорта.
Роль в миграции клеток третьего основного компонента цитоскелета — промежуточных филаментов (ПФ) — изучена значительно хуже. Белки ПФ, одним из которых является виментин, очень разнообразны. На разных этапах эмбрионального развития, на разных стадиях дифференцировки, в разных типах клеток экспрессируются ПФ, состо-
ящие из разных белков. В процессе дифференци-ровки набор белков ПФ в одной клетке может сильно изменяться.
В наиболее изученных мигрирующих клетках взрослого оранизма, фибробластах и лейкоцитах, виментин экспрессируется в качестве основного белка ПФ (Franke et al., 1978; Fuchs, Weber, 1994). Предположения о том, что экспрессия виментина в клетках связана с их способностью к миграции, были высказаны около 30 лет назад (Osborn, Weber, 1983). К настоящему времени получено большое количество экспериментальных данных, подтверждающих важную роль виментина в клеточной миграции. Особое развитие это направление исследований получило после получения мышей, нокаутных по гену виментина (Eckes et al., 2000). У этих мышей в первую очередь были изучены процессы, связанные с миграцией клеток. В частности, было показано, что у мышей, лишенных ви-ментина, нарушен процесс заживления ран (Eckes et al., 2000). У фибробластов, полученных из таких мышей, нарушена способность к направленной миграции и сокращению (Eckes et al., 1998). Выход лимфоцитов в ткани и лимфатическую систему сквозь стенки сосудов у таких мышей также нарушен (Nieminen et al., 2006).
Важные сведения о роли виментина в миграции клеток были получены при изучении раковых опухолей различного происхождения. Показано, что экспрессия виментина в раковых клетках коррелирует с появлением у них способности к миграции и инвазии в окружающие ткани (Sommers et al., 1992; Santini et al., 1996; Gilles et al., 1999). Для клеток многих опухолей эпителиального происхождения экспрессия виментина характерна при метастази-ровании. Она сопровождается увеличением подвижности и инвазивности клеток опухоли (Hen-drix et al., 1996; Wei et al., 2008; Mendez et al., 2010). Подавление экспрессии виментина в опухолевых клетках приводит к снижению их подвижности и способности к инвазии (McInroy, Maatta, 2007).
Несмотря на многочисленные факты, указывающие на роль виментина в миграции клеток, молекулярные механизмы его участия в этом процессе долгое время оставались неясными. Однако в последнее время появляется все больше данных о новых функциях виментина, связанных с миграцией, таких как определение полярности мигрирующей клетки, регуляция образования различных клеточных контактов, организация и транспорт различных сигнальных белков, участвующих в регуляции клеточной подвижности.
Важной нерешенной проблемой до сих пор остается участие виментина в миграции клеток в эмбриональном развитии. Ранние работы по анализу экспрессии виментина в процессе эмбриоге-
неза показали, что у млекопитающих и птиц экспрессия виментина ассоцирована с мигрирующими клетками. Эти факты были получены при изучении клеток, мигрирующих через первичную полоску при гаструляции (Franke et al., 1982; Page, 1989), а также клеток нервного гребня (Bronner-Fraser et al., 1991). Однако после получения мышей, нокаутных по гену виментина без видимых нарушений в развитии и размножении (Colucci-Guyon et al., 1994), появились большие сомнения в непосредственном участии виментина в процессах миграции клеток в эмбриогенезе. Таким образом, возникло противоречие: с одной стороны, существуют многочисленные наблюдения, свидетельствующие о важной роли виментина в миграции клеток взрослого организма, наблюдается экспрессия виментина в мигрирующих клетках зародыша, а с другой стороны — процессы эмбриогенеза у мышей, лишенных виментина, не обнаруживают видимых нарушений.
В настоящем обзоре всесторонне рассмотрена проблема участия виментина в процессах миграции клеток на основе современных представлений о его функциях в молекулярных клеточных процессах. Одной из главных задач при написании статьи было объяснение существующих проти
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.