Клетка как чудо архитектуры. Часть 5. Клетка перестраивает архитектуру

БИОЛОГИЯ КЛЕТКА КАК ЧУДО АРХИТЕКТУРЫ Часть 5. Клетка перестраивает архитектуру Ю. М. ВАСИЛЬЕВ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ

CELL AS ARCHITECTURAL MIRACLE. Part 5. Cell reorganizes its architecture Yu. M. VASI LIEV

© Васильев Ю.М., 2001

The mechanisms of reorganization of cell architecture, which lead to the transformation of cells of one tissue type into another, and, in particular, to the transformation of epitheliocytes into fibroblasts, are described. Such physiological reversible transformations are based on a cascade of reactions induced by specific signal proteins and eventually leading to reorganization of cytoskeleton. The mutations of the protein-coding genes act as components of these cascades; these mutations may be responsible for invasive properties of malignant cells.

2

Рассмотрены механизмы реорганизации клеточной архитектуры, ведущие к трансформации клеток одного тканевого типа в другой, и в частности к трансформации эпителиоцитов в фибробласты. Основой физиологических обратимых трансформаций этого типа является каскад реакций, индуцируемых специальными сигнальными белками и приводящих к реорганизации цитоскелета. Мутации генов, кодирующих белки, – компоненты этих каскадов, возможно, ответственны за инвазивные свойства опухолевых клеток.

www.issep.rssi.ru

В предыдущих статьях [1–4] мы разобрали основные процессы, определяющие динамику главных элементов клетки, ответственных за ее архитектуру, – фибрилл цитоскелета: актиновых микрофиламентов, микротрубочек, промежуточных филаментов. Хотя эти три типа фибрилл имеются почти у всех клеток эукариот, организация структур, которые из них складываются, резко различается у клеток разных типов. У клеток всех видов многоклеточных, от губок до человека, клетки разных тканей различаются по архитектуре, и эти различия определяют во многом структуру тканей. Типовые различия клеточной архитектуры обычно устойчивы: они сохраняются даже тогда, когда клетки выделяются из ткани и культивируются поодиночке. Однако, как мы начинаем понимать в последние годы, эти различия не являются необратимыми: при определенных условиях под влиянием определенных сигналов, действующих на клетку извне, или мутаций ДНК внутри клетки ее архитектура может коренным образом перестроиться: клетки одного типа могут превратиться в клетки другого типа с другой архитектурой цитоскелета. Рассмотрим наиболее изученную группу таких перестроек – превращения эпителиальных клеток в клетки мезенхимального типа. Клетки обоих этих типов есть у всех многоклеточных. У млекопитающих эпителии образуют все внешние и внутренние покровы (кожу, слизистые) и выстилку всех желез, а мезенхимальные клетки – ткани внутренней среды (соединительную ткань, кости, хрящи и т.д.). Отметим, что культивируемые клетки мезенхимального типа обычно называют фибробластами, хотя их идентичность фибробластам соединительной ткани в организме отнюдь не доказана. Тем не менее термин прижился, и мы, как и другие биологи, будем им пользоваться.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 1 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ ЭПИТЕЛИОЦИТ И ФИБРОБЛАСТ Сравним чуть подробнее форму и поведение эпителиоцита и фибробласта. Эпителиоцит, прикрепленный к подложке культуры (к стеклу или пластику), имеет форму диска, и весь его наружный край активен, то есть по этому краю выбрасываются и сокращаются плоские псевдоподии (ламеллоподии). Вблизи края в цитоплазме располагается типичная для эпителиоцитов структура – кольцевой пучок актиновых микрофиламентов (рис. 1). Эпителиоциты легко образуют прочные боковые контакты с соседними клетками. В результате эпителиоциты в культуре живут обычно не поодиночке, а входят в состав однослойных многоклеточных островков и пластов. Индивидуальные клетки в таких островках почти не двигаются. Совершенно иначе организованы фибробласты. Это вытянутые клетки с активными краями, разделенными на активные (образующие псевдоподии) и стабильные (не образующие псевдоподии) участки. Образование, прикрепление к подложке и сокращение псевдоподий – основа перемещения клеток в культуре. Соответственно благодаря полярности образования псевдоподий каждый индивидуальный фибробласт может активно и направленно ползать по такой подложке [2]. Контакты с другими фибробластами эти клетки образуют, но эти контакты в отличие от эпителиальных непрочны и легко рвутся при движениях. Различия в поведении эпителиоцитов и фибробластов выразительно демонстрируют также опыты с культивированием клеток этих двух типов на необычных и неплоских подложках. Эти опыты с культивированием клеток на решетках и цилиндрах подробно описаны в статье Ю.А. Ровенского [7]. Здесь лишь подчеркнем, что фибробласты ориентируются вдоль структур подложки, например вдоль оси цилиндра, сужаясь с боков. Напротив, эпителиоцит на таком же цилиндре расширится и вдоль и поперек оси, как бы обнимая этот цилиндр. Иначе говоря, фибробласт непрерывно приспосабливает свою форму и направление движения к

неровностям подложки и другим сигналам извне. У эпителиоцита биологическая сверхзадача другая – покрыть своим телом как можно большую поверхность подложки и, прочно склеившись с другими эпителиальными клетками, отделить эту подложку от жидкой или иной среды, образовав непрерывный пласт. В организме, так же как в культуре, эпителий обычно отделяет внутренние ткани от внешней среды. ДИНАМИКА АРХИТЕКТУРЫ ЦИТОСКЕЛЕТА У ЭПИТЕЛИОЦИТА И ФИБРОБЛАСТА В чем заключаются механизмы, определяющие различия в архитектуре эпителиоцитов и фибробластов? Фибробласт, посаженный на плоское стекло, сначала выбрасывает псевдоподии по всем направлениям и в результате уплощается, принимая дисковидную форму, похожую внешне на форму эпителиоцита (рис. 2). Лишь позднее (через 2–3 часа) происходит поляризация: два противоположных боковых края диска поджимаются, так что клетка принимает вытянутую форму. При этом неподжатая часть края остается активной. Можно предположить, что в основе поляризации лежит сокращение актин-миозиновой сети под мембраной. Это предположение требует проверки. Для устойчивой поляризации фибробласта необходима система микротрубочек цитоскелета. Если микротрубочки разрушить, то поляризация исчезает: весь периметр клетки активно образует псевдоподии [2]. Как действуют микротрубочки? Точно мы этого еще не знаем. По одной из вероятных гипотез, высказанных недавно, система микротрубочек контролирует динамику актин-миозина через специальные ферменты, расщепляющие гуанозинтрифосфат (ГТФ). Эти белки – Rac и Rho – играют важнейшую роль в регуляции структуры цитоскелета. В частности, Rac стимулирует полимеризацию актиновых микрофиламентов, которая есть основа образования ламеллоподий. Белки Rho

2ч

Рис. 1. Схема организации цитоскелета эпителиоцита (слева) и фибробласта (справа). Красные линии – активные края. Синие линии – актиновые пучки

6ч

Рис. 2. Схема динамики распластывания фибробласта. Слева – нераспластанная клетка сферической формы. В центре – промежуточная стадия распластывания – дисковидная эпителиоидная клетка. Справа – конечная стадия распластывания – поляризованная клетка. Обозначения те же, что и на рис. 1

В А С И Л Ь Е В Ю . М . К Л Е Т К А К А К Ч УД О А Р Х И Т Е К Т У Р Ы . Ч а с т ь 5 . К л е т к а п е р е с т р а и в а е т а р х и т е к т у р у

3

БИОЛОГИЯ стимулируют сокращение, вызываемое взаимодействием миозина с актиновыми микрофиламентами. Было высказано предположение, что с концов микротрубочек выделяется какое-то вещество, которое активирует Rac (рис. 3). Rac, в свою очередь, стимулирует полимеризацию актиновых филаментов, то есть образование ламеллоподий. Напротив, там, где концов микротрубочек мало, в центральной части клетки, активность Rac низка, а активность Rho высока, и поэтому идет боковое сжатие актин-миозинового цитоскелета, приводящее к сужению “талии” клетки и сжатию сети микрофиламентов в пучки.

Rac

Rho

Рис. 3. Гипотетическая схема действия микротрубочек (зеленые линии) на организацию фибробласта (по: Уотерман–Стокер и Сальмон). Белок Rac активируется на концах микротрубочек и стимулирует образование ламеллоподий. Белок Rho активируется в районе центральных частей микротрубочек и стимулирует поперечное сжатие клетки

Неизвестно, в какой мере ближайшие исследования подтвердят эту схему, но общий тезис о том, что основой поляризации является регуляция сократимости актин-миозинового цитоскелета, по-видимому, верен. ЭПИТЕЛИОЦИТ ПРИОБРЕТАЕТ АРХИТЕКТУРУ МЕЗЕНХИМАЛЬНОЙ КЛЕТКИ В начале 70-х годов XX века известный английский клеточный биолог и вице-президент Королевского общества Великобритании (эквивалент Академии наук) Майкл Стокер ушел по возрасту в отставку со своего поста и в отличие от многих отставников-администраторов вернулся к работе в лаборатории. Эта работа оказалась весьма плодотворной, Стокер предположил, что фибробласты выделяют в среду какое-то вещество, которое стимулирует их вытягивание и способность двигаться. Чтобы проверить эту гипотезу, Стокер и его со-

4

трудник Перриман [8] взяли среду культуры, в которой несколько дней росли фибробласты (так называемую среду, кондиционированную фибробластами), и налили ее на культуру эпителиальных клеток. Эффект был быстрым и разительным: уже через сутки компактные островки из прочно связанных между собой боковыми контактами малоподвижных эпителиоцитов распались на отдельные клетки, которые приобрели вытянутую фибробластоподобную форму и начали быстро двигаться по подложке культуры. Было ясно, что в среде из-под фибробластов содержится некое вещество, которое вызывает “рассеивание” компактных эпителиальных островков и превращение эпителиоцитов в клетки типа фибробластов (рис. 4). Это вещество назвали “рассеивающим фактором” (scatter factor, сокращенно SF). Дальнейшее было делом техники. Стокер и многие другие исследователи выделили SF из кондиционированной среды тех фибробластов, которые его выделяют (это делают далеко не все линии фибробластов), и очистили. SF оказался белком, который связывается со своим специфичным рецептором c-met, имеющимся на мембране чувствительных клеток. Такое связывание индуцирует внутри клетки цепь реакций, приводящих в конце к перестройке цитоскелета и формы клетки. Не все промежуточные звенья этих реакций ясны, но известно, что в числе этих звеньев – активация белков Rac и Rho. Как и следовало ожидать, SF не единственный белок, вызывающий превращение эпителиоцитов в клетки типа фибробластов (так называемую эпителио-мезенхимную трансформацию, ЭМТ). Например, совсем другой белок – фибробластный ростовой фактор (FGF), действуя совсем на другие рецепторы мембраны, вызывает типичную ЭМТ. SF c-met

SF

c-met'

c-met

Рис. 4. Схема эпителио-мезенхимальной трансформации, вызываемой связыванием внешнего белка SF с рецептором наружной мембраны клетки c-met при опухолевой трансформации. Мутантный c-met, постоянно активированный независимо от связывания с SF, делает клетку необратимо измененной

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 1 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ ОНКОГЕНЫ МОГУТ ВЫЗЫВАТЬ НЕОБРАТИМУЮ ЭПИТЕЛИОМЕЗЕНХИМНУЮ ТРАНСФОРМАЦИЮ Каждая физиологическая реакция клетки может испортиться в результате мутации генов, кодирующих ее компоненты. Такая порча может произойти и с одним из главных компонентов ЭМТ – геном рецептора SF c-met. В результате мутации этого гена белок c-met становится активным постоянно. Для его активации становится ненужным внешний стимулятор SF. Клетка, несущая мутантный c-met в мембране, из эпителиальной становится необратимо фибробластоподобной, то есть вытянутой, подвижной и лишенной прочных контактов с соседними клетками. Такая мутантная клетка может выйти из эпителиального пласта, мигрировать в соседние ткани и там размножаться. Иначе говоря, мутация гена c-met может сделать клетку злокачественной; этот мутантный ген является онкогеном (см. об онкогенах [5]). Необратимая трансформация клеток в подвижные и слабо связанные друг с другом клетки может индуцироваться не только мутацией c-met, но и многими другими онкогенами, имеющими различные механизмы действия. Вероятно, мутации этих онкогенов также нарушают каскады реакций, которые, с одной стороны, вызывают бесконтрольное размножение клеток, а с другой – меняют архитектуру клеток таким образом, что она становится способной проникать на территорию других тканей и органов, то есть приобретают основные свойства злокачественных опухолевых клеток.

стороны, но отдельные клетки не отделяются от группы полностью, они продолжают держаться друг за друга хвостами (рис. 5). Постепенно такая миграция и размножение клеток приводят к тому, что эти клетки образуют систему ветвящихся тяжей, а внутри каждого тяжа образуется просвет, окруженный клетками, – тяжи превращаются в трубки. Что особенно важно, на концах таких ветвящихся трубок имеются вытянутые клетки, похожие на мезенхимальные. За счет таких клеток трубки продолжают ветвиться и врастать в коллаген. Почему в коллагене в отличие от пластика клетки не отделяются друг от друга полностью? Почему превращение клеток в мезенхимальные происходит в этой системе лишь на концах трубок, тогда как в других их участках клетки сохраняют эпителиальную архитектуру? На эти вопросы мы пока ответить не можем. Как мы уже говорили, обработанная SF культура эпителия а HGF/SF 0 часов

HGF/SF

1-е сутки

6-е сутки Фрагмент растущего края

б

ПЕРЕСТРОЙКА АРХИТЕКТУРЫ КЛЕТОК ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ЭПИТЕЛИАЛЬНЫХ ТРУБОК И СОСУДОВ Вернемся теперь от мрачных патологических процессов к нормальному развитию организма. Очень важным вариантом этих процессов является образование эпителиальных выростов и ветвящихся трубок. Такими выростами являются в эмбриональном развитии зачатки всех эпителиальных органов: пищеварительных желез, эндокринных желез, легких, молочных желез и многих других структур. В основе механизмов образования таких выростов и трубок, по-видимому, лежит особый вариант ЭМТ. На это указывают результаты опытов с эпителиальными клетками, которые выращивали не на обычных плоских поверхностях на дне сосудов, наполненных жидкой средой, а в толще трехмерных гелей из коллагеновых волокон (среда, очень похожая на желатиновые студни, используемые в кулинарии). Если на группы эпителиальных клеток, помещенных в такой гель, подействовать SF, то эти группы начинают расползаться во все

Рис. 5. Действие SF на эпителиальные клетки, культивируемые внутри коллагенового геля: а – схема основных стадий действия SF. Слева – до воздействия эпителиальные клетки (синие) образуют компактную шаровидную кисту в геле. Центр – через 1 сутки после добавления SF в среду клетки (красные) вытянулись в разные стороны, но остаются связанными друг с другом хвостовыми отростками. Справа – через 6–8 суток в присутствии SF клетки образовали систему ветвящихся эпителиальных трубок, на концах которых имеются вытянутые фибробластоподобные клетки, за счет которых трубки продолжают удлиняться; б – микрофото ветвящейся системы эпителиальных трубок, образовавшихся в коллагеновом геле после длительного (6 суток) воздействия SF. На концах трубок – вытянутые клетки. Фото Е.А. Булановой

В А С И Л Ь Е В Ю . М . К Л Е Т К А К А К Ч УД О А Р Х И Т Е К Т У Р Ы . Ч а с т ь 5 . К л е т к а п е р е с т р а и в а е т а р х и т е к т у р у

5

БИОЛОГИЯ в коллагеновом геле является моделью для важнейшего процесса, происходящего в любом развивающемся организме, – образования ветвящихся трубок (тубулогенеза). Тубулогенез – основа формирования не только всех желез, но и образования и роста всех кровеносных сосудов. Структурной основой сосудов являются трубки из эндотелиальных клеток, эти клетки по своей архитектуре сходны с эпителиальными. Исследователи надеются, что, контролируя рост сосудов, можно будет лечить многие болезни. В частности, остановив рост сосудов, непрерывно врастающих в опухолевые узлы, можно будет нарушать питание опухоли и тем затормозить ее рост. Уже выделено значительное количество веществ разной химической природы, тормозящих рост сосудов (ангиостатические вещества) или, наоборот, стимулирующих этот рост (ангиогенные вещества). Сейчас идут испытания возможного противоопухолевого действия некоторых ангиостатических веществ в опытах на животных, но о результатах пока говорить рано. Среди веществ противоположного действия – ангиогенных веществ особый интерес представляет специфический белок VEGF (фактор роста эндотелия), который, как видно из названия, действуя на специальные мембранные рецепторы, вызывает размножение эндотелиальных клеток. Этот белок тоже пробуют применять для медицинских целей: его инъекциями пытаются улучшить питание тканей организма, испытывающих недостаток кровоснабжения. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Сейчас, когда расшифрован весь геном, биология вступила в период, когда идет интенсивное овладение механизмами, контролирующими реакции и судьбы клеток, механизмами, определяющими правильную организацию ткани и правильное функционирование клеток в этой ткани. Образно говоря, сейчас центром биологии становятся проблемы того “воспитания” клеток, которое начинается в эмбриональном периоде и продолжается затем в течение всей жизни многоклеточного организма. В статье кратко рассмотрена лишь одна частная сторона этой проблемы – перестройка архитектуры клеток одного основного тканевого типа, эпителиоцитов, приводящая к их превращению в клетки другого типа – мезенхимальные клетки (фибробласты). Я пытался показать, что анализ этой, казалось бы, частной проблемы открывает широкие перспективы лучшего понимания коренных теоретических вопросов, напри-

6

мер молекулярных механизмов поведения клеток, механизмов эмбрионального развития и т.д. Этот анализ также может создать и уже создает новые пути лечебного воздействия на процессы органогенеза, роста сосудов. Вместе с тем этот анализ необходим для понимания механизмов важнейших патологических процессов, и в первую очередь, механизмов патологического поведения опухолевых клеток. PS. Я опубликовал в СОЖ две серии статей: четыре статьи серии “Клетка как чудо архитектуры” [1–4] и две статьи “Социальное поведение нормальных клеток и антисоциальное поведение опухолевых клеток” [5, 6]. В этой, седьмой статье речь идет об изменениях архитектуры и нормальных и опухолевых клеток, лежащих в основе их поведения. Поэтому эту статью можно рассматривать как заключение не только первой, но и второй серии. Разумеется, кончаются лишь статьи, но не работа – опыты продолжаются. ЛИТЕРАТУРА 1. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. 1: Живые нити // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 2. С. 36–43. 2. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. 2: Цитоскелет, способный чувствовать и помнить // Там же. № 4. С. 4–10. 3. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. 3: Клетка единая, но делимая // Там же. 1999. № 8. С. 18–23. 4. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. 4: Натяжения цитоскелета контролируют архитектуру клетки и тканей // Там же. 2000. Т. 6, № 6. С. 2–7. 5. Васильев Ю.М. Социальное поведение нормальных клеток и антисоциальное поведение опухолевых клеток. 1: Сигнальные молекулы, вызывающие размножение и гибель клеток // Там же. 1997. № 4. С. 17–22. 6. Васильев Ю.М. Социальное поведение нормальных клеток и антисоциальное поведение опухолевых клеток. 2: Клетки строят ткань // Там же. № 5. С. 20–25. 7. Ровенский Ю.А. Как клетки ориентируются на местности // Там же. 2001. Т. 7, № 3. С. 4–11. 8. Stoker M., Perryman M. An Epithelial Scatter Factor Released by Embryo Fibroblasts // J. Cell Sci. 1985. Vol. 77. P. 209–223.

Рецензент статьи Г.И. Абелев *** Юрий Маркович Васильев, доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН, профессор кафедры вирусологии МГУ, зав. лабораторией Всероссийского онкологического научного центра. Автор 180 научных работ, включая шесть монографий на русском и английском языках.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 1 , 2 0 0 1