WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГ ИЯ КАК КЛЕТКИ ОРИЕНТИРУЮТСЯ НА МЕСТНОСТИ Ю. А. РОВЕНСКИЙ Всероссийский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина РАМН, Москва ВВЕДЕНИЕ В статьях [1, 3] рассказано о динамике цитоскелета и о HOW CELLS ORIENT THEMSELVES том, каким образом натяжения контролируют архитекYu. A. ROVENSKY туру отдельной клетки. В организме клетки ориентированы относительно друг друга и окружающих структур.

Эта ориентация во многом определяет архитектуру разCells respond to geometrical properties of the личных тканей. Особые клеточные реакции, которые substrate surface which the cells are located лежат в основе ориентации клеток и их перемещения в on. Depending either on the kind of the определенном направлении, называют топографичесmicrorelief or the curvature of the substrate кими или реакциями клеток на геометрическую конsurface, the cells change their shape, orienta- фигурацию поверхности какого-либо твердого субстрата (искусственного или природного), на которой tion and direction of migration. Such cell reacрасполагаются клетки. Клетки обладают удивительной tions are called "topographic"; they play способностью ощущать различные микронеровности important role in the formation of various tisили кривизну поверхности твердого субстрата, причем sue and organ structures. Nonuniformity of the величина этих микронеровностей может быть ничтожcytoskeletal tension in cells can contribute to на по сравнению с размерами самих клеток. Возможно, что в их основе лежат биомеханические факторы, свяthe mechanisms of topographic reactions.

занные с неравномерным распределением сил натяжения в клетках.

Клетки обладают способностью реагировать на геометрические характеристики ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС:

поверхности твердого субстрата, на коМЕХАНИЧЕСКАЯ ОПОРА торой они располагаются: в зависимости И ИНДУКТОР СИГНАЛОВ от характера микрорельефа или кривизны Подавляющее большинство клеток в организме нахоповерхности субстрата клетки изменяют дится в непосредственном контакте с внеклеточным матриксом – веществом, секретируемым самими клетсвою форму, ориентацию и направление ками. Это относится к разным типам клеток, входящим миграции. Такие клеточные реакции назыв состав различных тканей и органов: эпителиальным ваются топографическими, и они играют клеткам, которые покрывают части тела снаружи или важную роль в формировании различных выстилают изнутри полые органы (например, желудок, тканевых и органных структур, определяя кишечник, бронхи), а также образуют различные железы; мышечным клеткам, из которых состоят все мыших архитектуру. В механизме топографицы; нервным клеткам, длинные отростки которых (их ческих реакций может участвовать неравназывают аксонами) образуют нервы; клеткам соединомерность распределения сил натяжения нительной ткани, составляющей основу большинства в клетках.

внутренних органов.

Все эти клетки окружены внеклеточным матриксом, образующим упорядоченный пространственный www.issep.rssi.ru каркас, на поверхности и внутри которого клетки могут перемещаться и взаимодействовать друг с другом.

СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №3, Ровенский Ю.А., © БИОЛОГ ИЯ Исключение составляют лишь клетки крови – эритро- пример, интегрин 5 1 только с фибронектином), но циты и лейкоциты, свободно циркулирующие в крово- большинство интегринов способно связываться с нетоке. Внеклеточный матрикс состоит из макромолекул сколькими белками матрикса (например, интегрин белка и связанных с ними сложных углеводов – глико- 3 1 может связаться с фибронектином, ламинином и заминогликанов. Среди белков важнейшими являются коллагеном I типа). Таким образом, интегрины клеточколлагены (их несколько типов), эластин, фибронек- ной поверхности выполняют роль рецепторов, механитин и ламинин. Эти белки образуют специализирован- чески связывающих клетку с соответствующими комные структуры внеклеточного матрикса: базальные понентами внеклеточного матрикса, обеспечивая тем мембраны – пластинчатые образования, в состав кото- самым ее прикрепление.

рых входят коллаген IV типа, ламинин и фибронектин, Интегриновый рецептор является трансмембрана также разного рода волокна (коллагеновые, эласти- ным белком: его молекула прошивает плазматическую новые или фибронектиновые). Волокна погружены в мембрану клетки и, таким образом, обладает как внегель, образуемый переплетенными цепями гликозами- клеточной, так и внутриклеточной частями (доменами).

ногликанов и обеспечивающий упругость внеклеточ- Внутриклеточный домен интегрина через цепь различного матрикса.

ных соединенных между собой белков (талина, винкуВнеклеточный матрикс адгезивен для клеток. Это лина и др.) связывается с актиновыми микрофиламенозначает, что клетки могут прикрепляться (с разной тами цитоскелета (см. рис. 1; о цитоскелете см. [1]). Тем степенью прочности) к его поверхности и перемещать- самым осуществляется структурная связь между внеся по ней. Матрикс, таким образом, служит для клеток клеточным матриксом и цитоскелетом прикрепившеймеханической опорой или, как принято говорить, твер- ся клетки. Но эта связь не только структурная, но и дым субстратом. функциональная: связывание интегринового рецептора с матриксом включает цепь передачи сигналов от Прикрепление (адгезия) клеток к внеклеточному фокальных контактов внутрь клетки. Эти сигналы, осуматриксу осуществляется не на всей базальной клеточществляемые последовательным фосфорилированием ной поверхности, а лишь в небольших дискретных ее некоторых цитоплазматических белков, передаются чеучастках. Эти участки называют фокальными контакрез цитоплазму в клеточное ядро, вызывая экспрессию тами (рис. 1). В них оказываются сосредоточенными определенных генов. В числе этих генов те, которые поособые белки – интегрины, обладающие способностью буждают клетку к делению, движениям, влияют на ее специфически связываться с различными белковыми морфологию и поведенческие реакции. При утрате конкомпонентами внеклеточного матрикса – коллагенатактов клеток с внеклеточным матриксом, то есть при ми, фибронектином. Интегрин состоит из - и -субъих откреплении и переходе во взвешенное состояние, единиц, которые могут связываться в различных сочесигнальная цепь прерывается, в результате чего клетки таниях, формируя более 20 разных типов интегринов.

перестают размножаться и даже могут подвергнуться Некоторые из этих типов могут связываться лишь с кагенетически запрограммированному самоубийству – ким-либо одним белком внеклеточного матрикса (наапоптозу [2].

Таким образом, фокальные контакты являются не АФ АФ АФ АФ только адгезионными структурами, механически свяа зывающими клетки с внеклеточным матриксом, но также трансдукторами разнообразных внутриклеточных а а ТЗ сигналов, необходимых для сохранения клетками способности к размножению и другим проявлениям функB B B B циональной активности.

B П а П Ф Ф ПМК T T T ХИМИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ МАТРИКСА:

И И И И АДГЕЗИВНЫЕ ОСТРОВКИ И ДОРОЖКИ Изложенное выше указывает на роль химического соВнеклеточный матрикс става внеклеточного матрикса в адгезии клеток: наличие в матриксе специальных белковых молекул, с которыми специфически связываются интегриновые рецепторы Рис. 1. Упрощенная схема фокального контакта клетки с внеклеточным матриксом: ПМК – плазматиразличных клеток, определяет способность этих клеток ческая мембрана клетки, И – интегриновый рецепк прикреплению, перемещению и размножению. Очетор, Т – талин, Ф – протеинкиназа фокального конвидно, что если необходимые компоненты матрикса такта, П – паксиллин, В – винкулин, ТЗ – тензин, а – -актинин, АФ – пучки актиновых микрофиламентов будут распределены не равномерно, а, скажем, в виде РОВЕНСКИЙ Ю.А. КАК КЛЕТКИ ОРИЕНТИРУЮТСЯ НА МЕСТНОСТИ БИОЛОГ ИЯ островков или узких дорожек, то клетки смогут приа крепляться и перемещаться лишь в границах таких адгезивных участков. Такая картина реально наблюдается в организме в условиях эмбриогенеза или при заживлении ран, когда клетки направленно мигрируют вдоль линейных участков на поверхности внеклеточного матрикса в соответствии с наличием в этих участках бел50 мкм ковых компонентов, необходимых для адгезии клеток данного типа.

б Влияние неоднородности в адгезивных свойствах внеклеточного матрикса на прикрепление и поведение клеток можно моделировать in vitro в условиях культивирования клеток. Для этого поверхности культуральных субстратов (таковыми обычно служат пластинки из стекла или полимеров) химическим способом придают свойства, исключающие возможность прикрепления клеток. На такой неадгезивной поверхности различными методами – напылением металла или покрытием каким-либо из белков внеклеточного матрикса – наносят изолированные адгезивные участки, например в виде узких полос. На рис. 2, а можно видеть, как вытягиваются и ориентируются вдоль таких адгезивных полос прикрепившиеся фибробласты (клетки соединительной ткани). Если адгезивные участки имеют вид 200 мкм круглых или треугольных островков достаточно малых размеров, то прикрепившийся фибробласт принимает в форму островка.

Гораздо важнее, однако, что размножение клеток в условиях островков резко снижается, нередко клетки даже подвергаются апоптозу. Происходит это потому, что из-за ограниченной площади адгезивного участка клетка не может достаточно широко распластаться, и поэтому число образуемых ею фокальных контактов оказывается сниженным. В результате ослабляется трансдукция внутриклеточных сигналов, регулирующих функциональную активность клетки, включая ее способность к размножению. Возможен и другой меха50 мкм низм, связанный не с дефицитом фокальных контактов, а с ослаблением натяжения у клетки, недостаточно распластанной на адгезивном островке. Изометричес- Рис. 2. Фибробласты на адгезивной дорожке и на рельефах в виде канавок: а – фибробласт, вытянувкое натяжение, испытываемое клетками, полностью шийся на узкой полосе адгезивного субстрата, б – распластавшимися на поверхности внеклеточного матфибробласты, мигрировавшие из канавок глубиной рикса, служит мощным регулятором формы и функцио- 30–40 мкм и сосредоточившиеся на промежутках между ними, в – фибробласты, ориентированные нальной активности клеток, а также оказывает влияние вдоль канавок глубиной 1 мкм с 6-мкм промежуткана организацию самого внеклеточного матрикса [3].

ми между ними, а – дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия, б – световая ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ КОНФИГУРАЦИЯ микроскопия, в – сканирующая электронная микроскопия. Увел.: а – 300, б – 90, в – МАТРИКСА: КАК ЕЕ МОДЕЛИРОВАТЬ До сих пор мы говорили об адгезии клеток и их реакцитью, в организме внеклеточный матрикс имеет сложях, обусловленных химическими свойствами внеклеточную и разнообразную геометрическую конфигурацию.

ного матрикса. Между тем в отличие от искусственных Это могут быть разного рода волокна, обладающие субстратов, на которых культивируют клетки и которые обладают, как правило, плоской гладкой поверхнос- цилиндрической поверхностью, базальные мембраны, СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №3, БИОЛОГ ИЯ поверхность которых имеет сложный микрорельеф в звукозаписи около 30 лет назад. Это были музыкальные виде складок или канавок, наличие в матриксе преры- грампластинки, сделанные из поливинилхлорида, с вистостей в виде щелей, различных отверстий. Возни- нанесенными на их поверхности глубокими (несколькает вопрос: могут ли геометрические (иногда также ко десятков микрон) параллельными канавками треуговорят топографические) свойства внеклеточного ма- гольного профиля. Для приготовления канавок значитрикса влиять на прикрепление, форму и функции кле- тельно меньшей глубины – от нескольких микрон до ток, подобно влиянию, оказываемому его химически- нескольких нанометров – в последние годы широко ми свойствами Иными словами, способны ли клетки использовали методы фотолитографии, применяемые чувствовать геометрию (топографию) субстрата и реа- в микроэлектронике. Эта техника позволила получать гировать на нее не только микро-, но и нанорельефы типа параллельно Попытки ответить на этот вопрос предпринима- расположенных канавок заданной глубины и периодичлись давно. Для этого использовали различные при- ности. Методы микроэлектроники были использованы также для получения так называемых прерывистых сперодные субстраты, на которых культивировали клетки.

циальных субстратов. Поверхность таких субстратов Так, в 1911 году Харрисон в Англии сажал нервные клетки на паутину и обнаружил, что клетки вытягива- имеет дискретный характер: участки адгезивной поверхности перемежаются со свободными от субстрата лись и ориентировались вдоль ее нитей. Спустя 20 лет П. Вейсс в США выявил сходную реакцию у фиброблас- пустыми участками разной формы и размеров. Прерывистые субстраты могут иметь вид кремниевых пластитов, которых он культивировал на белковых нитях из сгустка кровяной плазмы. Еще позднее для культивиро- нок с множественными вертикальными стержнями (к вания клеток использовали такой экзотический природ- верхушкам которых только и могут прикрепляться клетки) или металлических решеток с крупными (неный субстрат, как рыбья чешуя, обладающая складчатой сколько тысяч квадратных микрон) квадратными отповерхностью. Оказалось, что фибробласты реагируют верстиями. Такие субстраты используют для изучения на такой микрорельеф вытягиванием и ориентацией вдоль складок. Описанный феномен был назван кон- клеточных реакций на нарушения непрерывности внетактной ориентировкой клеток. Этот термин стали за- клеточного матрикса – наличие в нем разного рода оттем использовать в более широком смысле – для обо- верстий, трещин. Особым типом специальных субстратов являются стекловолокна цилиндрической формы.

значения изменений формы и направления движения клеток как реакцию на геометрические свойства по- Значительная часть внеклеточного матрикса представляет собой волокнистые структуры. Эти волокна имеют верхности субстрата.

вид тонких (1–10 мкм) нитей цилиндрической формы.

Хотя природные субстраты иногда продолжают исЧтобы выяснить, могут ли клетки каким-либо образом пользовать для изучения контактной ориентировки реагировать на кривизну цилиндрической поверхности клеток в условиях их культивирования, стали очевидволокон матрикса, используют стекловолокна малого ными серьезные недостатки подобных субстратов. Ворадиуса (10–50 мкм), на которых культивируют клетки.

первых, сложность их белковой композиции не позволяет однозначно определить, чем именно обусловлена КАК КЛЕТКИ РЕАГИРУЮТ наблюдаемая реакция клеток: химическими или геоНА ГЕОМЕТРИЮ ПОВЕРХНОСТИ СУБСТРАТА метрическими (топографическими) характеристиками субстрата. Во-вторых, невозможность контролировать В опытах с культивированием клеток на специальных количественные параметры микрорельефа природного субстратах чаще всего используют клетки двух морфолосубстрата (глубина канавок, высота складок сильно гически различных типов: фибробласты и эпителиальварьируют) делает затруднительной оценку клеточных ные клетки. Фибробласты относятся к клеткам с поляриреакций. Поэтому исследователи пошли по пути создазованной псевдоподиальной активностью: образование ния для культивирования клеток специальных искуспсевдоподий (клеточных выростов в виде тонких ниственных субстратов с поверхностями, обладающими тей – филоподий или пластинчатой формы – ламеллоопределенной геометрической конфигурацией заданподий) происходит не по всему клеточному краю, а ных параметров.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.