РЕГУЛЯЦИЯ ФОРМЫ И ДВИЖЕНИЯ КЛЕТКИ
Для того чтобы дать полное описание всех типов формы и движения эукариотических клеток, потребовалась бы не одна книга. Некоторые важные моменты, однако, становятся ясны уже при рассмотрении трех основных типов клеточного движения. Анализ этих типов движения позволит понять также, каким образом форма клетки определяется характером ее движения.
Многие клетки способны плыть. Этот тип движения осуществляется с помощью жгутиков и ресничек — выступающих наружу придатков клетки, содержащих аксонему. Аксонема состоит из микротрубочек, организованных в так называемую структуру «9+2». Аксонема типа «9+2» широко распространена у эукариот, ее морфология высококонсервативна. Однако, несмотря на сходство ультраструктуры аксонем, жгутики и реснички разных организмов могут различаться по характеру осуществляемого ими движения, который определяется вспомогательными белками аксонем. Одни клетки, например Chlamydomonas, плывут «брассом»: во время рабочего хода почти прямой жгутик ударяет назад, а во время обратного — он изгибается так, чтобы минимизировать его поверхность, взаимодействующую с окружающей жидкостью. Другие клетки бьют жгутиками позади себя, толкая таким образом себя вперед. Наконец, у третьих имеются многочисленные короткие реснички, с помощью которых клетки могут плыть или, используя эти реснички как «ноги», передвигаться по поверхности. Во всех этих случаях движущая сила генерируется АТРазой динеином, который может обратимо образовывать поперечные мостики между наружными дублетами микротрубочек в аксонеме. Характер проявления этой силы определяется вспомогательными белками аксонемы: динеин обеспечивает скольжение одних дублетов вдоль других, а вспомогательные белки налагают ограничения на геометрию системы.
Форма большинства плавающих клеток определяется микротрубочками, расположенными обычно субкортикально, на небольшом расстоянии от клеточной мембраны. Такая подмембранная сеть микротрубочек расходится, как правило, от одной точки, например от пары базальных телец. В настоящее время, однако, точный механизм возникновения формы клеток, которые могут, например, быть асимметричными или представлять собой тела вращения, все еще не совсем понятен.
Для многих клеток, таких, как амёбы и макрофаги, характерно амебоидное движение. В цитоплазме амёбы можно выделить несколько разных областей. Эктоплазма — периферическая часть цитоплазмы — лежит непосредственно под клеточной мембраной. Внутри расположена эндоплазма, которая является вязкоупругой и обладает двойным лучепреломлением. В передней части клетки имеется псевдоподия. Эндоплазма в этой части клетки превращается в эктоплазму — вероятно, в результате сокращения: эндоплазма и эктоплазма образуют здесь, по-видимому, один общий, непрерывный гель, и когда на периферии фронтальной эктоплазмы происходит сокращение, эндоплазма втягивается в нее. Прямые наблюдения подтверждают вязкоупругость эктоплазмы и эндоплазмы. Низкой вязкостью характеризуются в амебоидной клетке лишь пограничная зона между экто- и эндоплазмой и небольшой район в хвостовой части, где превращение, эктоплазмы в эндоплазму сопровождается кратковременным разжижением эктоплазм этического материала.
Эти процессы, по-видимому, регулируются в основном путем изменения концентраций свободного кальция и АТР. В тех областях, где есть АТР и большое количество кальция, происходит сокращение, а там, где много АТР, но мало кальция, наблюдается релаксация; внутри эндоплазмы, вероятно, имеется ограниченное количество кальция и АТР. Благодаря такой региональной активности амебоидная клетка может направленно перемещаться, при условии что определенные ее части прикреплены к субстрату. Без прикрепления клетка только колышется и меняет форму, а направленного движения не происходит.
В движении рассматриваемого типа не принимают участия микротрубочки; многие амебоидные клетки, по-видимому, нечувствительны к колхицину. Форма амебоидной клетки — результат локальной сократительной активности. Амебоидное движение чувствительно к цитохалазину В. Движение макрофагов, например, цигохалазин В подавляет в концентрации всего лишь 10
7 М. Ингибирование движения клеток цитохалазин вызывает гораздо быстрее, чем уменьшение средней длины микрофиламентов in vitro. Ингибирующее действие цитохалазинов на амёбоидное движение объясняется, вероятно, тем, что они конкурируют с определенными клеточными белками за связывание с быстро растущим концом микрофиламентов.
Движение амебоидных клеток регулируется, по-видимому, клеточной мембраной. У лейкоцитов наиболее чувствителен к хемотаксическим факторам ведущий край; клетки неуклонно движутся по направлению к хемотаксическим сигналам. Для такого движения не требуется участия ядра или микротрубочек. Энуклеированные фрагменты лейкоцитов, не содержащие ни ядра, ни центриолей, ни микротрубочек, сохраняют способность к хемотаксису. Микротрубочки в интерфазных лейкоцитах служат для фиксации положения и ориентации различных клеточных структур, таких, как ядро или цитоплазматические гранулы.
Третий основной тип движения клеток можно было бы назвать зависящим от микротрубочек или фибробластоидным движением. Если понаблюдать за способной к такому движению клеткой после митоза или пересева в культуре (в процессе этих событий клетки принимают сферическую форму), то можно увидеть, как она проходит три стадии: стадию начального распластывания, стадию поляризации и стадию направленного движения. Порядок стадий может быть, по-видимому, только таким; клетка, неспособная распластываться, не может и поляризоваться, а клетка, которая не поляризуется, не может и перемещаться.
Строение фибробластов и эпителиальных клеток во время распластывания было уже нами рассмотрено выше. У распластывающейся клетки имеются филоподии, складки клеточного края, выпячивания поверхности, и все эти образования могут прикрепляться к субстрату или другим клеткам и генерировать силу. Если происходит прикрепление к субстрату, клетка через сколько-то минут полностью распластывается. А если клетка контактирует с незакрепленными частицами, то она «очищает» пространство вокруг себя. Этот процесс может протекать лишь в среде с К+, Na+, С, а также Mg2+ или Са2+ при нейтральном pH; кроме того, он требует присутствия источников энергии. Какие из трех указанных выше образований будут наблюдаться на клеточной поверхности, зависит от условий промывки и пересева клеток. Все три типа образований, а также процесс очистки пространства вокруг клетки от частиц чувствительны к цитохалазину В в концентрации 1 мкг/мл и нечувствительны к ингибиторам микротрубочек. Такой характер чувствительности к различным препаратам не вызывает удивления, так как эти три типа образований содержат микрофиламенты, но не содержат микротрубочек.
Клетки, очищающие субстрат вокруг себя, имеют форму круга. Для того чтобы клетка перестала быть круглой, должен начаться новый процесс — поляризация. Этот процесс подавляется ингибиторами сборки микротрубочек; поляризованная клетка в присутствии таких ингибиторов вновь округляется. Обработка клеток колхицином для предотвращения их поляризации вызывает еще один эффект: виментиновые и десминовые филаменты в них медленно образуют плотную, охватывающую ядро структуру. Когда образование такой структуры индуцируется антителами против промежуточных филаментов, клетки не деполяризуются. Как и следовало ожидать, центр организации микротрубочек (ЦОМТ) ориентируется в клетке в направлении ее движения. При движении сразу многих клеток в «рану», сделанную в плотном монослое в культуре, видно, что ЦОМТ располагается в них ближе к ведущему краю. Как показывают опыты с антицитоскелетными агентами, правильное положение ЦОМТ является необходимым условием клеточного движения. При подавлении движения клеток цитохалазином ориентация ЦОМТ в них изменяется; с другой стороны, клетки, в которых переориентация ЦОМТ блокирована колцемидом, не движутся.
Как регулируется зависящий от микротрубочек тип движения, пока еще не совсем ясно, однако некоторые уже известные взаимосвязи представляются весьма существенными. Перемещение многих клеток легко может быть прослежено на субстрате, покрытом частицами золота: на таком субстрате движущиеся клетки оставляют за собой «дорожки». С помощью этого метода было показано, что основные актиновые пучки располагаются в клетке параллельно ее движению. В направлении движения ориентированы также ЦОМТ и первичная ресничка (если она есть в данной клетке). Хотя ориентация волокон натяжения согласуется с направлением движения, их количество в клетке обратно пропорционально скорости движения.
Некоторые особенности движения клеток могут быть объяснены лишь с помощью достаточно полной модели. Каждой линии клеток присущ свой характер движения (средняя скорость, средняя частота поворотов); вместе с тем ни у одной клеточной линии движение не является строго детерминированным. Сестринские клетки, а также дочерние и родительские клетки нередко движутся сходным образом. Примерно в 60% случаев «дорожки», оставляемые сестринскими клетками линии ЗТЗ, идентичны или представляют собой зеркальное отражение друг друга. Наконец, когда движущаяся клетка сталкивается с другой клеткой и затем начинает двигаться от нее, новое направление движения часто симметрично прежнему.
Судя по всему, некоторые характеристики движения клетки не меняются даже после митоза, во время которого она округляется, тогда как ряд других характеристик движения определяется взаимодействием клетки с внешней средой. Некоторые существенные факторы внешней среды уже идентифицированы. Взаимодействие фибробластоидных клеток с субстратом, особенно с коллагеном, опосредуется фибронектином. Добавление этого белка в культуральную среду стимулирует распластывание трансформированных клеток, а также подвижность и трансформированных, и нормальных клеток. Другой важный фактор — концентрация кальция: для подвижности большинства исследованных клеток присутствие кальция во внешней среде совершенно необходимо. Какова роль кальция, неясно, поскольку филоподии и складки клеточного края в его отсутствие все-таки сохраняют подвижность.
Один из подходов к изучению регуляции клеточного движения состоит в том, чтобы удалять из клетки некоторые структуры и наблюдать затем, продолжают ли двигаться остальные. И микротрубочки, и микрофиламенты необходимы для зависящего от микротрубочек типа движения. Эффективный способ удаления промежуточных филаментов из цитоплазмы некоторых клеток — микроинъекция антител против виментина. Виментиновые филаменты образуют при этом околоядерную структуру, сохраняющуюся более 24 часов. Тем не менее клетка не теряет ни нормальной формы, ни способности двигаться по субстрату, клеточные органеллы остаются на своих местах, и по-прежнему могут происходить митоз и цитокинез. Неизвестно, сходны ли около-ядерные виментиновые структуры в сестринских клетках. Многие из перечисленных выше функций не требуют присутствия ядра. Фибробластоидные и эпителиальные клетки, знуклеированные с помощью цитохалазина, прикрепляются к субстрату, распластываются, приобретают форму, характерную для данной клеточной линии, осуществляют пиноцитоз и нормально движутся, причем у них, как и у интактных клеток, наблюдается явление контактного торможения движения. Так же как и для клеток с околоядерной вимеитиновой структурой, для энуклеированных клеток неизвестно, сохраняется ли у них сходство меяжду «сестрами». Степень изъятия клеточных структур, необходимая для того, чтобы существенно ограничить разнообразие форм двигательной активности клеток и клеточных фрагментов, достойна удивления. Избирательное разрушение компонентов клетки цитохалазином позволяет получить небольшие клеточные фрагменты (от одного до нескольких микрон в поперечнике), называемые микропластами. Микропластам свойственно в высшей степени стереотипное двигательное поведение; они образуют складки клеточного края, или выпячивания поверхности, или филоподии, и все это повторяется в течение нескольких часов без изменения. Отсюда следует, что для координированного поведения клетки необходимо нечто, осуществляющее интеграцию различных форм движения.
Описанный характер клеточной подвижности и изменения клеточной формы свойственны не только культивируемым клеткам. Изучение эмбрионов показало, что у клеток in situ происходят во время движения аналогичные изменения формы и что клеточное движение в культуре во многом отражает поведение клеток в естественных условиях. Предполагается, что легко воспроизводимое в культуре движение клеток в «адгезивном градиенте», т. е. в условиях возрастающей по мере перемещения клетки частоты ее прикрепления, играет существенную роль в морфогенезе эмбриона. Если это действительно так, то клеточную подвижность и ее регуляцию следует отнести к важнейшим из факторов, определяющих процесс развития у животных.
Форма клеток, осуществляющих движение рассматриваемого типа, не является ни столь детерминированной, как форма свободно плавающих клеток, ни столь динамичной, как у амебоидных клеток. Различные системы филаментов находятся в этих клетках в непрерывном взаимодействии друг с другом и генерируют и их движение, и — в каждый данный момент — их форму. Взаимодействие между системами филаментов обнаруживается при ультраструктурных исследованиях. Как показывают эти исследования, все три основных типа филаментов контактируют друг с другом. На существование в клетке интеграции на структурном уровне указывает также координированность ее поведения. В тот момент, когда тянущийся сзади узкий «хвост» движущейся клетки отрывается от поверхности субстрата, усиливается двигательная активность складок ее переднего края. В процессе укорочения «хвоста» можно выделить два компонента: во-первых, быстрый, не зависящий от источников энергии и, вероятно, эластический, во-вторых, медленный, требующий энергии и, по-видимому, являющийся сократительным.
В некоторых типах клеток взаимодействие между фибриллярными системами особенно доступно для экспериментального изучения. От тела клеток нейробластомы отходят ветвящиеся нейриты. Процесс образования нейритов после митоза блокируется как нокодазолом, так и цитохалазином, из чего следует, что в этом процессе участвуют и микротрубочки, и микрофиламенты. Роль микрофиламентов в образовании нейритов может состоять в обеспечении их подвижности, судя по тому что при обработке клеток цитохалазином ретракции уже сформировавшихся нейритов не происходит. Нокодазол, напротив, вызывает их ретракцию. После втягивания нейритов клетка сохраняет память о своей прежней форме: удаление ингибитора приводит к ее восстановлению. Процесс ретракции нейритов является кооперативным; если клетку обрабатывают одновременно нокодазолом и цитохалазином, нейриты не втягиваются. При этом в них сохраняются промежуточные филаменты, которые во время ретракции (если затем ее все же вызвать) перемещаются к центру клетки. Можно предположить, что перераспределение промежуточных филаментов, индуцируемое ингибиторами микротрубочек, зависит от взаимодействия промежуточных филаментов с микрофиламентами. Микротрубочки не способны поддерживать рост нейритов в отсутствие микрофиламентов; более того, без интактных микрофиламентов разрушение микротрубочек не вызывает ретракции. Промежуточные филаменты, судя по всему, взаимодействуют и с микротрубочками, и с микрофиламентами. Аналогичные взаимосвязи между этими тремя фибриллярными системами выявляются и во многих других типах клеток.
Для некоторых типов клеток удается установить, какой вклад вносит в процесс генерации клеточной формы какая-либо одна система филаментов. Когда форма тромбоцитов подвергается изменениям, описанным выше, изменяются также локализация взаимодействующих с актином белков и связь актина с цитоскелетом. После активации тромбоцитов актин обнаруживается в составе цитоскелета вместе с миозином или актин-связывающим белком. Судя по результатам морфологических исследований, миозин и актин-связывающие белки располагаются в разных районах тромбоцита, и разные ингибиторы влияют на их локализацию по-разному. Если тромбоциты перед активацией их тромбином обрабатывают цитохалазином, гель из миозина и актина образуется в них нормально, однако актин-связывающий белок в состав цитоскелета не входит и филоподии не образуются. Напротив, при активации тромбоцитов форболмиристат-ацетатом образование филоподий происходит, но цитоскелет не содержит миозина. Хотя отдельные части тромбоцита различаются в функциональном отношении, в норме компоненты актиновой системы ведут себя при его активации согласованно.
Источник
