Как клетки понимают что им делать

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Те, кто мало знаком с биологией, генетикой интересуются, как клетки организма «понимают», что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? Органы образуются последовательно, некоторые продолжают формироваться на протяжении всей жизни, как-то должна подаваться команда «начать формирование» и «завершить формирование». И если эти команды будут формироваться не из единого центра — возникнет хаос.

А где тогда этот центр?

Этот вопрос — совсем не детский. Это на самом деле не один, а несколько вопросов, и они затрагивают все самые главные проблемы, решением которых занимается большая, очень сложная и быстро развивающаяся наука — биология развития. Хорошо и подробно ответить на эти вопросы в нескольких словах просто невозможно. Ответы на них содержатся в больших и толстых книгах и в тысячах научных статей. Многое в этой науке до сих пор остается неясным, и новые открытия совершаются чуть ли не каждый день.

Но некоторые общие принципы можно попытаться объяснить.

Начнем с «единого центра», без которого «возникнет хаос». Удивительно, но это не так. Множество делящихся клеток может вести себя вполне осмысленно и формировать сложные структуры, даже если у них нет единого управляющего центра. Такие процессы называют «самоорганизацией». К сожалению, человеческий разум так устроен, что ему ужасно трудно понять подобные процессы. Когда мы сталкиваемся с примерами самоорганизации, нам всегда это кажется каким-то необъяснимым чудом. Например, как из беспорядочно движущихся молекул водяного пара образуются красивые ледяные узоры на стекле или снежинки? Где хранится «программа создания снежинки» или ее «чертеж»? Чертежа нет нигде, а вот программа — существует, это те физические свойства молекулы воды, от которых зависит образование ледяных кристаллов.

Но вернемся к комочку клеток — крошечному зародышу, который образовался из яйцеклетки в результате нескольких первых делений. Каждая клетка зародыша имеет один и тот же геном (набор генов). Геном определяет все свойства клетки, это ее «программа поведения». Программа у всех клеток зародыша одинаковая. Однако вскоре клетки начинают вести себя по-разному: одни превращаются в клетки кожи, другие — в клетки кишечника, и так далее. Это происходит благодаря тому, что клетки обмениваются информацией — посылают друг другу химические сигналы и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Сигналы могут быть и физическими: клетки могут «чувствовать» своих соседей, куда они ее тянут или толкают. Кроме того, кое-какие сигналы приходят и из внешнего мира. Например, клетки зародышей у растений чувствуют земное притяжение и принимают его в расчет, когда решают, как им себя вести. Например, те клетки, у которых клетки-соседи есть только сверху, начинают превращаться в корень, а те, у которых соседи только снизу, — в стебель. Наконец, яйцеклетка может с самого начала иметь простенькую «разметку»: один ее полюс может отличаться от другого по концентрации каких-нибудь веществ.

Программа поведения у всех клеток изначально одна и та же, но она может быть довольно сложной и состоять из нескольких отдельных наборов правил. То, какой из наборов правил данная клетка будет выполнять, зависит от получаемых клеткой сигналов. Каждое отдельное «правило» выглядит примерно так: «если выполняются такие-то условия, сделай такое-то действие». Основные действия, которые делают клетки, — это включение или выключение определенных генов. Включение или выключение гена меняет свойства клетки, и она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.

Как же получается, что клетки, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, всё-таки ведут себя по-разному? Дело в том, что клетки зародыша на самом деле находятся в разных условиях — это просто само собой так происходит в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация вещества А высокая (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), а в ком-то вещества А мало.

Еще у клеток может быть «счетчик делений», который сообщает им, сколько раз яйцеклетка уже поделилась. Этот счетчик тоже химический: в яйцеклетке изначально были определенные вещества, запас которых не пополняется во время развития зародыша, и по тому, сколько в клетке осталось этих веществ, можно понять, сколько делений прошло с момента начала развития.

Программа поведения клетки может содержать, например, такие команды:

«Если ты снаружи,
и если концентрация вещества А в тебе такая-то (находится в таких-то пределах),
и если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю,
и если с момента начала развития прошло уже 10 делений,
то начни выделять вещество Б».

К чему приведет выполнение такой команды? Оно приведет к тому, что на поверхности зародыша в определенный момент (после десяти делений) появится одна-единственная клетка, выделяющая вещество Б. Она будет расположена на строго определенном расстоянии от одного из полюсов зародыша, потому что в нашем примере вещество А служило для изначальной разметки яйцеклетки. Следовательно, по концентрации вещества А клетка может определить, на каком расстоянии от полюсов зародыша она находится. Почему такая клетка, выделяющая вещество Б, будет только одна? А потому, что была инструкция: «Если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю». Как только первая клетка, в которой выполнятся поставленные условия, начнет выделять вещество Б, концентрация этого вещества перестанет быть равна нулю, и поэтому другие клетки не начнут его выделять.

А что будет, если мы уберем из программы инструкцию «Если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю»? Тогда вещество Б начнет выделяться не одной-единственной клеткой, а целой полоской клеток, опоясывающей зародыш на определенном расстоянии от полюсов. Ширина пояска и его положение (ближе или дальше от того полюса, где концентрация А максимальна) будут зависеть от того, какие концентрации вещества А указаны в инструкции «Если концентрация вещества А в тебе такая-то».

Теперь наш зародыш размечен уже гораздо сложнее и интереснее, чем раньше. У него есть «передняя часть», в которой много А, а концентрация Б растет спереди назад; у него есть центральный поясок, где максимальна концентрация Б; и у него есть задняя часть, где мало А и где концентрация Б убывает спереди назад. Наш зародыш подразделился на резко отграниченные друг от друга части, в которых клетки находятся в разных условиях и поэтому будут выполнять разные подпрограммы своей исходной общей программы.

Мы подразделили зародыш на передний, средний и задний отделы. Они могут стать, например, головой, туловищем и хвостом. Но хотелось бы еще понять, где у него будет спина, а где живот. Как это сделать? А очень просто, мы уже это проходили. Нужна инструкция, приводящая к появлению только одной клетки или маленькой группы клеток, выделяющих какое-нибудь вещество (например, В) на любом «боку» зародыша, где-нибудь посередине между головой и хвостом. И пусть это вещество В запустит программу роста красивого зеленого спинного гребня там, где его много, и программу формирования мягкого розового животика там, где его мало.

Когда зародыш уже так хорошо и подробно «размечен», каждая группа клеток может без труда определить, где она находится, и активизировать заготовленную на этот случай подпрограмму (набор правил поведения).

В ходе развития зародыша действительно то тут, то там появляются особые «управляющие центры» — группы клеток, выделяющие то или иное вещество, которое служит для других клеток сигналом и влияет на их поведение. Но при этом все клетки по-прежнему ведут себя в строгом соответствии с изначальной генетической программой, которая у всех одна и та же. Управляющие центры возникают сами, путем самоорганизации, никто их нарочно туда не вставляет. И никакого «единого централизованного руководства», тем более осмысленного, разумного, для этого не требуется.

В развитии настоящих животных всё сложнее, чем в нашем воображаемом примере, но, как ни странно, ненамного. Например, у большинства животных для «продольной разметки» зародыша используется около десятка сигнальных веществ (в нашем примере мы обошлись двумя — А и Б). За производство этих веществ отвечает особая группа генов — так называемые «хокс-гены». А для разделения зародыша на ткани (нервную, мышечную, эпителиальную и т. д.) используется еще три десятка других сигнальных веществ — они называются микроРНК. Но это — только самые главные регуляторы развития, а есть еще очень много вспомогательных, и ученые пока еще не выяснили все их свойства и функции.

Сигнальные вещества, управляющие поведением клеток зародыша, очень могущественны. Например, если отрезать головастику хвост и капнуть на рану одно из этих веществ, то вместо нового хвоста у головастика вырастет пучок маленьких ножек. Такие жестокие эксперименты проводились в начале XX века. Потом за дело взялись генетики, которые научились менять работу генов в отдельных частях зародыша. В том числе и тех генов, которые производят вещества — регуляторы развития. Одно из самых интересных открытий генетиков состоит в том, что гены, управляющие развитием, оказались очень похожими у всех животных. Их даже можно пересаживать от одного животного к другому, и они будут работать. Например, если взять мышиный ген, который включает подпрограмму образования глаза у мыши, и заставить его работать в зачатке ноги у мухи, то на мушиной ноге начинает формироваться глаз. Правда, не мышиный глаз, а мушиный.

Итак, мы поняли, что в геноме нет «чертежа» взрослого организма, а есть только программа поведения отдельной клетки. Взрослый организм «самоорганизуется» просто за счет того, что каждая клетка строго следует одной и той же программе поведения. Математики говорят, что закодировать в геноме чертеж взрослого животного было бы намного сложнее, чем такую программу. Эта программа, как ни странно, сама по себе гораздо проще, чем получающийся в результате организм. А еще, если бы наше развитие шло не путем самоорганизации на основе программы, а по чертежу, нам было бы гораздо труднее эволюционировать.

Лет сто назад, когда ученые еще не знали законов развития эмбриона, многое в эволюции казалось им непонятным. Например, некоторые ученые удивлялись, как могут в процессе эволюции удлиниться все четыре ноги одновременно — ведь для этого, рассуждали они, нужно, чтобы мутации одновременно изменили длину сразу всех четырех ног! Действительно, если бы в геноме был записан чертеж взрослого организма, то потребовалось бы внести в этот чертеж целых четыре поправки, чтобы увеличить длину четырех ног. Теперь-то мы знаем, что развитие идет по программе, в которую достаточно внести всего одно изменение, чтобы длина всех четырех конечностей изменилась, причем изменилась одинаково.

Источник

Клетки организма общаются с помощью посланий, упакованных в микровезикулы

Организм представляет собой интегрированное сообщество дифференцированных клеток. Их слаженное функционирование обеспечивается благодаря сложной системе межклеточной коммуникации. Коммуникация предполагает производство сигналов одними клетками, их восприятие другими клетками, а также адекватную их интерпретацию и реакцию на эти сигналы благодаря наличию внутриклеточных сигнальных путей. Неожиданные возможности, выводящие межклеточную коммуникацию на качественно новый уровень, обнаружились при исследовании функциональной роли микровезикул — мембранных пузырьков, повсеместно встречающихся в жидких средах организма и до недавнего времени считавшихся лишь побочным продуктом жизнедеятельности клеток.

Многоклеточный организм, осуществляющий свою жизнедеятельность как единое целое, в то же время представляет собой сложное сообщество из образующих его клеток, обладающих определенной автономностью. Клетки можно рассматривать как конструктивные элементы организма, предназначенные обеспечить правильную его работу как целого. В конечном счете, каждой клетке выгодно и удобно жить в составе сообщества себе подобных. Можно сказать, что в каком-то смысле все клетки организма сообща работают на поддержание каждой индивидуальной клетки.

При таком взгляде возникает соблазн провести параллели с человеческим обществом. Каждый член этого общества выполняет определенную функцию (подобно клеткам тех или иных тканей организма), будучи при этом отнюдь не самодостаточным, а следовательно, нуждающимся в поддержании со стороны всех прочих членов того же общества (организма). Сложность организма, как и сложность человеческого общества, задается степенью разнокачественности, дифференцированности составляющих его клеток, или членов. Слаженная деятельность индивидуальных членов дифференцированного общества требует существования сложных систем коммуникации, которые позволяют взаимно координировать эту деятельность. Именно существование разнообразных способов взаимной координации обеспечивает как общество в целом, так и каждого отдельного его члена возможностью адаптироваться к изменчивым условиям среды. К примеру, во время эпидемии гриппа больной (скажем, рабочий фармацевтического завода) обращается к врачу, способному поставить диагноз и назначить правильное лечение. Врачи побуждают поставщиков фармпрепаратов снабдить аптеки соответствующими лекарствами, поставщики делают заказ соответствующим фармацевтическим заводам, и т. д.

В организме также существуют разнообразные системы коммуникаций, обеспечивающие взаимное координирование деятельности клеток и тканей при адаптации к тем или иным изменениям среды. Широко известны и общепризнанны: 1) коммуникация посредством секретируемых молекул (таких как гормоны, ростовые факторы, нейротрансмиттеры) и рецепторов к ним и 2) коммуникация посредством межклеточных контактов (адгезионных молекул и рецепторов к ним).

Оба эти механизма предусматривают взаимодействие между сигнальной молекулой и связывающей ее молекулой-рецептором, которое должно опосредовать запуск определенной цепочки последовательных реакций (signal-transduction chain) в соответствии с генетически обусловленной программой. Такой тип коммуникации можно уподобить отдаче/приему команды, предполагающей реакцию в виде стереотипного набора действий (пусть даже очень сложного). Так, повышение в крови концентрации инсулина, выделяемого клетками поджелудочной железы, означает для мышечной и жировой тканей команду к откачке из крови глюкозы, для клеток печени — команду к активации синтеза гликогена, и т. д.

Всегда ли такого типа коммуникации будет достаточно для самоподдержания организма в сложной, изменчивой и зачастую непредсказуемой среде? Возвращаясь к аналогии с обществом, можно предположить, что не всегда. В частности, такой механизм не предусматривает возможности поиска и распространения среди себе подобных принципиально нового эффективного решения при необходимости адаптации к неожиданным стрессовым факторам.

Что может быть альтернативой для клеток организма? Теоретически, клетки могли бы отдавать друг другу более конкретные и детальные инструкции, передавая и принимая непосредственно информационные молекулы, каковыми являются мРНК, а также разнообразные молекулы — регуляторы метаболизма и активности генов, в частности транскрипционные факторы, ферменты и микроРНК.

Среди известных типов межклеточной коммуникации, предполагающих такой обмен крупными молекулами и даже целыми органеллами, можно назвать щелевые контакты, формирующиеся между клетками эпителия. Но возможно ли подобное общение между клетками, находящимися на расстоянии друг от друга или даже относящимися к разным типам тканей? Авторы обсуждаемой статьи отвечают утвердительно.

В последние 10 лет внимание ученых было привлечено к обнаруживаемым в разнообразных биологических жидкостях (включая плазму крови, межклеточную жидкость, плевральную жидкость и др.) мембранным везикулам размером от 30 нм до 1–4 мкм. Об их существовании вообще-то было известно давно, но вплоть до недавнего времени их рассматривали как клеточный дебрис — побочный продукт апоптоза, не несущий функциональной нагрузки. Однако исследования последних лет показали, что такие структуры (упоминаемые в разных источниках как «микровезикулы», «микрочастицы», «эктосомы» и «экзосомы») испускаются нормальными, жизнеспособными клетками самых разных тканей организма. В одних случаях их производит наружная мембрана клетки, образующая выпячивания («эктосомы», d = 0,1–4 мкм), в других случаях они высвобождаются путем экзоцитоза из мультивезикулярных телец, образующихся из эндоцитозных пузырьков («экзосомы», d = 30–100 нм). При этом продукция микровезикул усиливается при патологии ткани in vivo и при стрессовом воздействии на клетки in vitro.

Под патологией ткани подразумеваются разнообразные воспалительные процессы, вызванные инфекцией или чем-либо еще, злокачественные опухоли и т. п. Например, при заболеваниях почек в крови и даже в моче будут обнаруживаться микровезикулы, содержимое которых при анализе на белки и РНК укажет на то, что они были «высланы» именно тканью почек (как будто они высылают призыв о помощи). В норме таких микровезикул будет обнаруживаться гораздо меньше, и состав их содержимого будет несколько иной.

Особенностью этих структур является экспонирование на внешней поверхности фосфатидилсерина. Анализ содержимого микровезикул показал, что они включают в себя целые молекулы мРНК, белки, регуляторные микроРНК, а в их мембрану встроены рецепторные белки. Конкретный состав зависит от ткани, производящей микровезикулы, и от функционального состояния этой ткани. Существует база данных (см. ExoCarta), описывающая белки и РНК, обнаруживаемые в микровезикулах разного происхождения. Выяснилось, что производство клетками микровезикул энергозатратно, регулируемо (в частности, зависит от поступления в клетки ионов кальция) и требует участия специальных белковых молекул. По-видимому, имеет место сортировка молекул, заключенных в микровезикулы, так как их концентрации и количественные соотношения в цитоплазме клеток и в производимых клетками микровезикулах не эквивалентны друг другу. Можно предположить, что часть молекул РНК производится исключительно на экспорт, так как они практически полностью оказываются сконцентрированы в микровезикулах.

Все эти факты наталкивают на предположение, что эти структуры выполняют некую функциональную роль, связанную с межклеточной коммуникацией. По своей форме и содержанию они очень напоминают липосомы, используемые в генной инженерии для доставки в клетки тех или иных молекул. Чтобы подтвердить возможность влияния тканей друг на друга, опосредованного микровезикулами, ученые поставили следующий эксперимент. Мыши подвергались облучению 500 сГр (сантигрей), стимулируя таким образом стрессовую реакцию. Затем ткани легких, мозга, печени и сердца облученных мышей переводили в культуру на искусственную питательную среду. После недельного культивирования клетки отделяли, а полученную кондиционную среду использовали в дальнейшей работе.

Из кондиционной среды выделяли микровезикулы (центрифугированием с ускорением 100000g на протяжении 1 часа при температуре 4°), которые затем отмывали и ресуспендировали в искусственной питательной среде, используя полученную суспензию как среду для культивирования клеток костного мозга. Состав РНК в клетках костного мозга проводили через неделю культивирования в присутствии либо в отсутствие микровезикул.

Исследователи провели количественный ПЦР-анализ мРНК 14 генов, из которых шесть специфичны для легочной ткани, три — для головного мозга, три сердечных и два печеночных гена. Оказалось, что состав мРНК микровезикул хорошо отражает их тканевое происхождение. В то же время обнаружилась положительная зависимость между присутствием тканеспецифичных мРНК в микровезикулах и изменениями в количестве тех же мРНК в клетках костного мозга, культивируемых в присутствии микровезикул, по сравнению с клетками костного мозга, культивируемыми без добавления микровезикул. Причем в клетках повышенный уровень экспрессии определенных мРНК сохранялся на протяжении трех недель наблюдения. В случае предварительной обработки микровезикул рибонуклеазой количество соответствующих мРНК как в микровезикулах, так и в культивируемых в их присутствии клеток костного мозга, оказывается намного ниже, чем без такой обработки. В своей более ранней работе авторы показывали, что изменения в содержании определенных РНК сопровождались соответствующими изменениями в содержании кодируемых ими белков в клетках костного мозга. Также наблюдались изменения и в морфологии клеток.

В части экспериментов микровезикулы подвергались предварительному двойному окрашиванию — зеленым флуоресцентным красителем CFSE и красным PKH26, используемыми соответственно для окрашивания цитоплазматической компоненты и мембран таких частиц. Это позволило выяснить, как часто происходит включение микровезикул в сокультивируемые клетки. Двойное окрашивание обнаруживалось у 2,5% культивируемых с микровезикулами клеток костного мозга. В то же время, если костный мозг заменялся на культуру миелоидных либо лимфоидных клеток, процент клеток с двойным окрашиванием составлял соответственно 27% и 0,7%.

Можно сделать вывод о разной степени восприимчивости тканей к такого рода «общению». Вероятно, определенную роль здесь играют лиганд-рецепторные взаимодействия между мембранами клеток и микровезикул. Далее авторы провели анализ экспрессии тканеспецифичных генов в окрашенных (проглотивших микровезикулы) и неокрашенных клетках, которые были отделены друг от друга с помощью проточного сортера (этот прибор не просто измеряет флуоресценцию, а еще и разбрасывает клетки с разным уровнем флуоресценции по разным пробиркам в соответствии с заданными критериями для разделения; в данном случае отделяли клетки, имеющие две флуоресцентных метки — красную и зеленую, — от всех прочих клеток). Оказалось, что экспрессия анализируемых мРНК в окрашенных клетках костного мозга была увеличена в десятки раз по сравнению с контрольными клетками и практически не изменилась в неокрашенных.

Пожалуй, самая интересная часть исследования заключается в оценке влияния культивирования клеток в присутствии микровезикул, полученных от разных тканей мыши, на спектр РНК-клеток костного мозга крысы, то есть другого вида животных. Оказалось, что сокультивирование клеток костного мозга крысы с микровезикулами, полученными от легочной либо печеночной ткани мыши после облучения приводили к повышению в клетках содержания как мРНК, типичных для данных тканей мышиных генов, так и мРНК крысиных гомологов этих генов. В качестве механизма такого влияния авторы предлагают рассматривать микроРНК, регулирующие активность этих генов. Действительно, такие микроРНК в большом количестве обнаруживались как в самих микровезикулах, так и в сокультивируемых с ними клетках костного мозга. В общей сложности в составе микровезикул, полученных от клеток легких, авторы обнаружили 185 различных микроРНК и 65 белков.

Всё это говорит о том, что поврежденные ткани, по-видимому, могут стимулировать в стволовых клетках костного мозга определенное направление дифференцировки, способное обеспечить регенерацию этих тканей и восстановление функционального состояния организма.

В то же время эти данные наталкивают на мысли о дарвиновских геммулах, нередко упоминаемых Александром Марковым, способных якобы переносить наследственные факторы от соматических клеток к генеративным. Марков указывает на возможность такого рода переноса генетического материала с помощью вирусных частиц, способных с некоторой частотой проникать в генеративные ткани. Хочется обратить внимание на то, что, по-видимому, организм и сам владеет достаточным набором инструментов для осуществления контролируемого переноса генетической информации от одних клеток к другим. Если учесть существование таких гибко управляемых систем многоклеточного организма, как 1) перенос между клетками микровезикул, содержащих РНК-копии различных генов (которые в соматических клетках могут приобретать какие-либо мутации), 2) обратная транскрипция и 3) рекомбинация генетического материала в генеративных клетках, то процесс «осознанного» переноса новых вариантов генов из соматических клеток в генеративные видится не таким уж невероятным событием, как это казалось прежде.

См. также:
1) Bénédicte Hugel, M. Carmen Martínez, Corinne Kunzelmann, Jean-Marie Freyssinet. Membrane Microparticles: Two Sides of the Coin (текст доступен полностью) // Physiology. V. 20. No. 1. P. 22–27. February 2005.
2) Jason M. Aliotta, Fermin M. Sanchez-Guijo, et al. Alteration of Marrow Cell Gene Expression, Protein Production, and Engraftment into Lung by Lung-Derived Microvesicles: A Novel Mechanism for Phenotype Modulation (текст доступен полностью) // Stem Cells. V. 25. Issue 9. P. 2245–2256. September 2007.

Источник