Как клетки ориентируются на местности

БИОЛОГИЯ КАК КЛЕТКИ ОРИЕНТИРУЮТСЯ НА МЕСТНОСТИ Ю. А. РОВЕНСКИЙ Всероссийский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина РАМН, Москва

ВВЕДЕНИЕ

HOW CELLS ORIENT THEMSELVES Yu. A. ROVENSKY

© Ровенский Ю.А., 2001

Cells respond to geometrical properties of the substrate surface which the cells are located on. Depending either on the kind of the microrelief or the curvature of the substrate surface, the cells change their shape, orientation and direction of migration. Such cell reactions are called "topographic"; they play important role in the formation of various tissue and organ structures. Nonuniformity of the cytoskeletal tension in cells can contribute to the mechanisms of topographic reactions.

4

Клетки обладают способностью реагировать на геометрические характеристики поверхности твердого субстрата, на которой они располагаются: в зависимости от характера микрорельефа или кривизны поверхности субстрата клетки изменяют свою форму , ориентацию и направление миграции. Такие клеточные реакции называются топографическими, и они играют важную роль в формировании различных тканевых и органных структур, определяя их архитектуру. В механизме топографических реакций может участвовать неравномерность распределения сил натяжения в клетках.

www.issep.rssi.ru

В статьях [1, 3] рассказано о динамике цитоскелета и о том, каким образом натяжения контролируют архитектуру отдельной клетки. В организме клетки ориентированы относительно друг друга и окружающих структур. Эта ориентация во многом определяет архитектуру различных тканей. Особые клеточные реакции, которые лежат в основе ориентации клеток и их перемещения в определенном направлении, называют топографическими или реакциями клеток на геометрическую конфигурацию поверхности какого-либо твердого субстрата (искусственного или природного), на которой располагаются клетки. Клетки обладают удивительной способностью ощущать различные микронеровности или кривизну поверхности твердого субстрата, причем величина этих микронеровностей может быть ничтожна по сравнению с размерами самих клеток. Возможно, что в их основе лежат биомеханические факторы, связанные с неравномерным распределением сил натяжения в клетках. ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС: МЕХАНИЧЕСКАЯ ОПОРА И ИНДУКТОР СИГНАЛОВ Подавляющее большинство клеток в организме находится в непосредственном контакте с внеклеточным матриксом – веществом, секретируемым самими клетками. Это относится к разным типам клеток, входящим в состав различных тканей и органов: эпителиальным клеткам, которые покрывают части тела снаружи или выстилают изнутри полые органы (например, желудок, кишечник, бронхи), а также образуют различные железы; мышечным клеткам, из которых состоят все мышцы; нервным клеткам, длинные отростки которых (их называют аксонами) образуют нервы; клеткам соединительной ткани, составляющей основу большинства внутренних органов. Все эти клетки окружены внеклеточным матриксом, образующим упорядоченный пространственный каркас, на поверхности и внутри которого клетки могут перемещаться и взаимодействовать друг с другом.

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 , № 3 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ Исключение составляют лишь клетки крови – эритроциты и лейкоциты, свободно циркулирующие в кровотоке. Внеклеточный матрикс состоит из макромолекул белка и связанных с ними сложных углеводов – гликозаминогликанов. Среди белков важнейшими являются коллагены (их несколько типов), эластин, фибронектин и ламинин. Эти белки образуют специализированные структуры внеклеточного матрикса: базальные мембраны – пластинчатые образования, в состав которых входят коллаген IV типа, ламинин и фибронектин, а также разного рода волокна (коллагеновые, эластиновые или фибронектиновые). Волокна погружены в гель, образуемый переплетенными цепями гликозаминогликанов и обеспечивающий упругость внеклеточного матрикса. Внеклеточный матрикс адгезивен для клеток. Это означает, что клетки могут прикрепляться (с разной степенью прочности) к его поверхности и перемещаться по ней. Матрикс, таким образом, служит для клеток механической опорой или, как принято говорить, твердым субстратом. Прикрепление (адгезия) клеток к внеклеточному матриксу осуществляется не на всей базальной клеточной поверхности, а лишь в небольших дискретных ее участках. Эти участки называют фокальными контактами (рис. 1). В них оказываются сосредоточенными особые белки – интегрины, обладающие способностью специфически связываться с различными белковыми компонентами внеклеточного матрикса – коллагенами, фибронектином. Интегрин состоит из α- и β-субъединиц, которые могут связываться в различных сочетаниях, формируя более 20 разных типов интегринов. Некоторые из этих типов могут связываться лишь с каким-либо одним белком внеклеточного матрикса (наАФ а

АФ

B T

а

а

ТЗ

И

T

АФ

АФ

B

B

П Ф T И

Ф И

B

B П

а ПМК И

Внеклеточный матрикс Рис. 1. Упрощенная схема фокального контакта клетки с внеклеточным матриксом: ПМК – плазматическая мембрана клетки, И – интегриновый рецептор, Т – талин, Ф – протеинкиназа фокального контакта, П – паксиллин, В – винкулин, ТЗ – тензин, а – α-актинин, АФ – пучки актиновых микрофиламентов

пример, интегрин α5β1 только с фибронектином), но большинство интегринов способно связываться с несколькими белками матрикса (например, интегрин α3β1 может связаться с фибронектином, ламинином и коллагеном I типа). Таким образом, интегрины клеточной поверхности выполняют роль рецепторов, механически связывающих клетку с соответствующими компонентами внеклеточного матрикса, обеспечивая тем самым ее прикрепление. Интегриновый рецептор является трансмембранным белком: его молекула прошивает плазматическую мембрану клетки и, таким образом, обладает как внеклеточной, так и внутриклеточной частями (доменами). Внутриклеточный домен интегрина через цепь различных соединенных между собой белков (талина, винкулина и др.) связывается с актиновыми микрофиламентами цитоскелета (см. рис. 1; о цитоскелете см. [1]). Тем самым осуществляется структурная связь между внеклеточным матриксом и цитоскелетом прикрепившейся клетки. Но эта связь не только структурная, но и функциональная: связывание интегринового рецептора с матриксом включает цепь передачи сигналов от фокальных контактов внутрь клетки. Эти сигналы, осуществляемые последовательным фосфорилированием некоторых цитоплазматических белков, передаются через цитоплазму в клеточное ядро, вызывая экспрессию определенных генов. В числе этих генов те, которые побуждают клетку к делению, движениям, влияют на ее морфологию и поведенческие реакции. При утрате контактов клеток с внеклеточным матриксом, то есть при их откреплении и переходе во взвешенное состояние, сигнальная цепь прерывается, в результате чего клетки перестают размножаться и даже могут подвергнуться генетически запрограммированному самоубийству – апоптозу [2]. Таким образом, фокальные контакты являются не только адгезионными структурами, механически связывающими клетки с внеклеточным матриксом, но также трансдукторами разнообразных внутриклеточных сигналов, необходимых для сохранения клетками способности к размножению и другим проявлениям функциональной активности. ХИМИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ МАТРИКСА: АДГЕЗИВНЫЕ ОСТРОВКИ И ДОРОЖКИ Изложенное выше указывает на роль химического состава внеклеточного матрикса в адгезии клеток: наличие в матриксе специальных белковых молекул, с которыми специфически связываются интегриновые рецепторы различных клеток, определяет способность этих клеток к прикреплению, перемещению и размножению. Очевидно, что если необходимые компоненты матрикса будут распределены не равномерно, а, скажем, в виде

РОВЕНСКИЙ Ю.А. КАК КЛЕТКИ ОРИЕНТИРУЮТСЯ НА МЕСТНОСТИ

5

БИОЛОГИЯ островков или узких дорожек, то клетки смогут прикрепляться 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 белковых компонентов, необходимых для адгезии клеток данного типа. 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 круглых или треугольных островков достаточно малых размеров, то прикрепившийся фибробласт принимает 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 механизм, связанный не с дефицитом фокальных контактов, а с ослаблением натяжения у клетки, недостаточно распластанной на адгезивном островке. Изометрическое натяжение, испытываемое клетками, полностью распластавшимися на поверхности внеклеточного матрикса, служит мощным регулятором формы и функциональной активности клеток, а также оказывает влияние на организацию самого внеклеточного матрикса [3]. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ КОНФИГУРАЦИЯ МАТРИКСА: КАК ЕЕ МОДЕЛИРОВАТЬ До сих пор мы говорили об адгезии клеток и их реакциях, обусловленных химическими свойствами внеклеточного матрикса. Между тем в отличие от искусственных субстратов, на которых культивируют клетки и которые обладают, как правило, плоской гладкой поверхнос-

6

а

50 мкм б

200 мкм в

50 мкм

Рис. 2. Фибробласты на адгезивной дорожке и на рельефах в виде канавок: а – фибробласт, вытянувшийся на узкой полосе адгезивного субстрата, б – фибробласты, мигрировавшие из канавок глубиной 30–40 мкм и сосредоточившиеся на промежутках между ними, в – фибробласты, ориентированные вдоль канавок глубиной 1 мкм с 6-мкм промежутками между ними, а – дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия, б – световая микроскопия, в – сканирующая электронная микроскопия. Увел.: а – 300, б – 90, в – 360

тью, в организме внеклеточный матрикс имеет сложную и разнообразную геометрическую конфигурацию. Это могут быть разного рода волокна, обладающие цилиндрической поверхностью, базальные мембраны,

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 , № 3 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ поверхность которых имеет сложный микрорельеф в виде складок или канавок, наличие в матриксе прерывистостей в виде щелей, различных отверстий. Возникает вопрос: могут ли геометрические (иногда также говорят топографические) свойства внеклеточного матрикса влиять на прикрепление, форму и функции клеток, подобно влиянию, оказываемому его химическими свойствами? Иными словами, способны ли клетки чувствовать геометрию (топографию) субстрата и реагировать на нее? Попытки ответить на этот вопрос предпринимались давно. Для этого использовали различные природные субстраты, на которых культивировали клетки. Так, в 1911 году Харрисон в Англии сажал нервные клетки на паутину и обнаружил, что клетки вытягивались и ориентировались вдоль ее нитей. Спустя 20 лет П. Вейсс в США выявил сходную реакцию у фибробластов, которых он культивировал на белковых нитях из сгустка кровяной плазмы. Еще позднее для культивирования клеток использовали такой экзотический природный субстрат, как рыбья чешуя, обладающая складчатой поверхностью. Оказалось, что фибробласты реагируют на такой микрорельеф вытягиванием и ориентацией вдоль складок. Описанный феномен был назван контактной ориентировкой клеток. Этот термин стали затем использовать в более широком смысле – для обозначения изменений формы и направления движения клеток как реакцию на геометрические свойства поверхности субстрата. Хотя природные субстраты иногда продолжают использовать для изучения контактной ориентировки клеток в условиях их культивирования, стали очевидными серьезные недостатки подобных субстратов. Вопервых, сложность их белковой композиции не позволяет однозначно определить, чем именно обусловлена наблюдаемая реакция клеток: химическими или геометрическими (топографическими) характеристиками субстрата. Во-вторых, невозможность контролировать количественные параметры микрорельефа природного субстрата (глубина канавок, высота складок сильно варьируют) делает затруднительной оценку клеточных реакций. Поэтому исследователи пошли по пути создания для культивирования клеток специальных искусственных субстратов с поверхностями, обладающими определенной геометрической конфигурацией заданных параметров. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА ПРИХОДИТ НА ПОМОЩЬ Специальные субстраты были созданы с помощью методов, используемых в стекловолоконной оптике и микроэлектронике. Впрочем, первые специальные субстраты были получены благодаря применению старой техники

звукозаписи около 30 лет назад. Это были музыкальные грампластинки, сделанные из поливинилхлорида, с нанесенными на их поверхности глубокими (несколько десятков микрон) параллельными канавками треугольного профиля. Для приготовления канавок значительно меньшей глубины – от нескольких микрон до нескольких нанометров – в последние годы широко использовали методы фотолитографии, применяемые в микроэлектронике. Эта техника позволила получать не только микро-, но и нанорельефы типа параллельно расположенных канавок заданной глубины и периодичности. Методы микроэлектроники были использованы также для получения так называемых прерывистых специальных субстратов. Поверхность таких субстратов имеет дискретный характер: участки адгезивной поверхности перемежаются со свободными от субстрата пустыми участками разной формы и размеров. Прерывистые субстраты могут иметь вид кремниевых пластинок с множественными вертикальными стержнями (к верхушкам которых только и могут прикрепляться клетки) или металлических решеток с крупными (несколько тысяч квадратных микрон) квадратными отверстиями. Такие субстраты используют для изучения клеточных реакций на нарушения непрерывности внеклеточного матрикса – наличие в нем разного рода отверстий, трещин. Особым типом специальных субстратов являются стекловолокна цилиндрической формы. Значительная часть внеклеточного матрикса представляет собой волокнистые структуры. Эти волокна имеют вид тонких (1–10 мкм) нитей цилиндрической формы. Чтобы выяснить, могут ли клетки каким-либо образом реагировать на кривизну цилиндрической поверхности волокон матрикса, используют стекловолокна малого радиуса (10–50 мкм), на которых культивируют клетки. КАК КЛЕТКИ РЕАГИРУЮТ НА ГЕОМЕТРИЮ ПОВЕРХНОСТИ СУБСТРАТА В опытах с культивированием клеток на специальных субстратах чаще всего используют клетки двух морфологически различных типов: фибробласты и эпителиальные клетки. Фибробласты относятся к клеткам с поляризованной псевдоподиальной активностью: образование псевдоподий (клеточных выростов в виде тонких нитей – филоподий или пластинчатой формы – ламеллоподий) происходит не по всему клеточному краю, а лишь в некоторых его участках. Такое неравномерное распределение псевдоподиальной активности придает фибробластам характерную более или менее вытянутую форму и делает их способными к перемещению по поверхности субстрата. К поляризованным относятся также нервные или мышечные клетки. Эпителиальные клетки неполяризованы: у них псевдоподии образуются относительно равномерно по всей периферии

РОВЕНСКИЙ Ю.А. КАК КЛЕТКИ ОРИЕНТИРУЮТСЯ НА МЕСТНОСТИ

7

БИОЛОГИЯ клеток, которые приобретают характерную дисковидную форму и неспособны перемещаться по субстрату. При культивировании клеток на субстратах с “музыкальными” (глубокими) канавками было обнаружено, что фибробласты, вначале оказавшиеся на дне канавок, вскоре мигрируют из них и сосредоточиваются в промежутках между канавками (см. рис. 2, б ). Эта реакция значительно ослаблена у эпителиальных и опухолевых клеток, большинство которых так и оставалось в глубине канавок. На субстратах с гораздо более мелкими – с микроили наноканавками клетки разных типов (фибробласты, эпителиальные или нервные клетки) реагируют вытягиванием и ориентацией вдоль канавок (см. рис. 2, в). Эта реакция контактной ориентировки усиливается с возрастанием глубины канавок и уменьшением промежутков между ними. У клеток, кроме того, происходят реорганизация цитоскелета и изменение экспрессии некоторых генов. Другими словами, клетки реагируют на геометрию поверхности не только морфологическими изменениями, но также серьезными сдвигами во внутриклеточных сигнальных путях, приводящими к изменениям синтетической и функциональной активности клеток. а

На прерывистом субстрате в виде пластинок с множественными вертикальными стержнями осевшие из взвеси клетки могли прикрепиться лишь к верхушкам стержней (рис. 3, а), тогда как дальнейшему распластыванию этих клеток должно было препятствовать отсутствие субстрата: в свободных пространствах между стержнями клетки не имели опоры для своего прикрепления. Эти опыты показали, однако, что клетки умеют перешагивать через пропасти. Прикрепившийся на верхушке стержня фибробласт выстреливает длинные нитевидные выросты – филоподии (рис. 3, б ). Некоторые из них достигают верхушек других стержней и прикрепляются к ним. Между двумя натянутыми филоподиями, словно по рельсам, клетка начинает распластываться. В конце концов полностью распластавшийся фибробласт оказывается в своеобразном подвешенном состоянии: он опирается только на верхушки нескольких стержней, тогда как большая часть его тела лишена всякой опоры (рис. 3, в). Клетки, культивируемые на прерывистых субстратах в виде решеток, вначале прикрепляются и распластываются на прутьях решетки. Однако через несколько часов они смещаются в отверстия решетки: тело клетки почти целиком оказывается провисшим в свободном в

б

5 мкм

5 мкм г

5 мкм д

20 мкм

20 мкм

Рис. 3. Клетки на прерывистых субстратах в виде вертикальных стержней (а–в) или решетки (г, д): а – нераспластанный фибробласт на верхушке стержня; б – длинные филоподии фибробласта, прикрепляющиеся к соседнему стержню; в – фибробласт, распластавшийся на верхушках стержней; г – фибробласт, пересекающий отверстие решетки; д – эпителиальная клетка, затягивающая отверстие решетки. Сканирующая электронная микроскопия. Увел.: а–в – 2300; г, д – 700

8

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 , № 3 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ пространстве отверстия и лишь своими краями или концами отростков клетка остается прикрепленной к прутьям решетки. При этом поведение фибробластов и эпителиальных клеток кардинально различается: фибробласт сильно вытягивается и своим веретеновидным телом пересекает отверстие (рис. 3, г), тогда как эпителиальная клетка, сохраняя присущую ей дисковидную форму, постепенно полностью затягивает отверстие (рис. 3, д). На стекловолокнах цилиндрической формы реакция клеток на кривизну поверхности субстрата была совершенно различной у фибробластов и эпителиальных клеток. Первые вытягивались и ориентировались вдоль длинной оси цилиндра, причем в том же продольном направлении ориентировалось большинство пучков микрофиламентов актинового цитоскелета этих клеток (рис. 4, а, в). Эпителиальные клетки на цилиндрических субстратах сохраняли дисковидную форму и перегибались поперек субстрата, при этом пучки актиновых микрофиламентов приобретали такую же поперечную ориентацию (рис. 4, б, г). а

МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИЙ КЛЕТОК НА ГЕОМЕТРИЮ ПОВЕРХНОСТИ Итак, клетки чувствуют кривизну, микрорельефы и разного рода нарушения непрерывности поверхности специальных культуральных субстратов, моделирующих различную геометрическую конфигурацию внеклеточного матрикса. Клетки реагируют даже на ничтожные (в сравнении с их собственными размерами) неровности нанорельефа, ведут себя подобно “принцессе на горошине”. Каковы же возможные механизмы клеточных реакций на геометрию поверхности? В основе многих клеточных реакций на геометрическую конфигурацию поверхности лежит изометрическое натяжение клетки, создаваемое взаимодействием молекул актина и миозина в цитоскелете [3]. Благодаря натяжению пучков актиновых микрофиламентов, соединенных с фокальными контактами, клетка постоянно пребывает в напряженном, растянутом состоянии. Сила натяжения пучков микрофиламентов может зависеть от их формы: прямые пучки развивают более сильное натяжение по сравнению с пучками, находящимися в условиях сгибания. Как показали опыты Г. Дана в б

20 мкм в

20 мкм г

20 мкм

20 мкм

Рис. 4. Клетки на цилиндрических субстратах. а, в – фибробласт: клетка вытянута и ориентирована вдоль цилиндра (а), продольная ориентация пучков актиновых микрофиламентов (в); б, г – эпителиоцит: клетка перегибается поперек цилиндра (б ), поперечная ориентация пучков актиновых микрофиламентов (г). а, б – сканирующая электронная микроскопия; в, г – иммунофлуоресцентная микроскопия. Увел.: а, в – 820; б, г – 950

РОВЕНСКИЙ Ю.А. КАК КЛЕТКИ ОРИЕНТИРУЮТСЯ НА МЕСТНОСТИ

9

БИОЛОГИЯ 2°

4°

8°

16° Рис. 5. Фибробласт, ползущий по грани призмы. Со снижением угла схождения двух граней ведущий край клетки постепенно укорачивается; при угле менее 164° переползание фибробласта через ребро призмы становится невозможным

Англии, фибробласты, культивируемые на стеклянном субстрате в виде призмы, не в состоянии переползти с одной ее грани на другую через ребро призмы, если угол схождения двух граней менее 164° (рис. 5). Переползанию фибробласта, очевидно, препятствует более сильное натяжение прямых пучков актиновых микрофиламентов, которые связаны с фокальными контактами на поверхности грани призмы, по сравнению с теми пучками, которые вынуждены перегибаться через ее ребро. В результате фибробласт проявляет устойчивость к сгибанию под углом выше критического. Если это так, то миграцию фибробластов из канавок (см. рис. 2, б ) можно объяснить неспособностью клеток с сгибанию, неизбежному для них на дне треугольной канавки; фибробласты перемещаются на плоские участки поверхности субстрата. Что же касается эпителиальных клеток, для которых более характерны не линейные, а кольцевидные пучки актиновых микрофиламентов [1] или опухолевых клеток, в которых актиновый цитоскелет значительно редуцирован, то в таких клетках силы натяжения значительно слабее, чем в фибробластах, и соответственно такие клетки, по-видимому, менее устойчивы к сгибанию и поэтому могут распластываться на дне треугольных канавок. Сходным механизмом можно объяснить реакцию клеток на иную геометрию субстрата, а именно реакцию на кривизну его поверхности. По-видимому, фибробласты на цилиндрической поверхности принимают положение, исключающее возможность их сгибания, то есть вытягиваются вдоль цилиндра в направлении сил максимального натяжения (см. рис. 4, а). Что же касается эпителиальных клеток, то на цилиндре они распластываются так же, как на обычном плоском суб-

10

страте (см. рис. 4, б ). Из механики известно, что сгибание тела, способного к деформации, сопровождается генерацией силы, противодействующей сгибанию. Сила натяжения согнутой на цилиндрическом субстрате эпителиальной клетки будет максимальной в направлении, перпендикулярном оси цилиндра. Эта сила и выстраивает пучки актиновых микрофиламентов поперек цилиндра (см. рис. 4, г). В механизме реакции клеток на прерывистый субстрат типа решетки важен момент, когда клетка, распластавшаяся на одном из прутьев решетки, начинает переползать с него на другой, перпендикулярный ему прут. При этом возникают силы, растягивающие тело клетки, расположенное на двух прутьях решетки, в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Равнодействующая этих сил тянет клетку к отверстию решетки. Однако фибробласты и эпителиальные клетки по-разному реагируют на эту тянущую силу. Благодаря сильному натяжению боковые края фибробласта сравнительно легко отрываются от прутьев решетки, клетка ретрактирует (сжимается с боков), оставаясь прикрепленной к прутьям лишь своими концами. В итоге фибробласт своим сильно вытянувшимся телом пересекает отверстие решетки (см. рис. 3, г). В отличие от фибробласта эпителиальная клетка не теряет контактов с прутьями решетки по всему клеточному краю: клетка равномерно растягивается над отверстием решетки, постепенно целиком его покрывая (рис. 3, д). Эти различия в реакциях, возможно, связаны с характером распределения фокальных контактов по клеточному краю: у фибробластов фокальные контакты сосредоточены преимущественно в концевых отделах, тогда как у эпителиальных клеток фокальные контакты распределены относительно равномерно по всей периферии и силы натяжения выражены слабее, чем у фибробластов. Удивительная способность клеток реагировать на микро- или нанорельефы типа параллельных канавок остается во многом загадочной. Каким образом клетка ощущает на поверхности субстрата неровности, размеры которых в десятки тысяч раз меньше размеров самой клетки (если речь идет о нанорельефах)? Одно из предположений состоит в том, что в реакциях клеток на геометрическую конфигурацию поверхности субстрата участвуют так называемые рецепторы растяжения. Эти рецепторы плазматической мембраны клеток, возможно, реагируют на кривизну или микронеровности поверхности субстрата, вызывая реорганизацию актинового цитоскелета и неравномерное перераспределение сил натяжения в клетке. В результате этого клетки начинают вытягиваться и ориентироваться в определенном направлении (например, вдоль микро- или наноканавок). Активация рецепторов растяжения включает внутриклеточную сигнализацию, которая вызывает фо-

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 , № 3 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ сфорилирование некоторых белков и изменение генной экспрессии. Одним из вероятных кандидатов на роль рецепторов растяжения являются ионные хлоридные каналы в мембране клеток: в среде с дефицитом хлоридов вытягивание клеток вдоль микроканавок резко ослабевает. Однако необходимы дальнейшие исследования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Клетки в организме подчиняют свою форму и функциональную активность требованиям, предъявляемым такими характеристиками внеклеточного матрикса, как его химические свойства или геометрическая конфигурация. Анизотропность (неоднородность) химически опосредованных адгезивных свойств матрикса, а также кривизна его поверхности или микрорельеф (нанорельеф), различные нарушения непрерывности матрикса – все это служит своеобразными опознавательными знаками для выбора направления клеточных миграций, сосредоточения определенных типов клеток в участках регенерации (например, при заживлении ран) или закладки будущих органов (в эмбриогенезе), регуляции размножения клеток и их синтетической активности. Практически важным является и медицинский аспект этой проблемы. Дело в том, что клетки опухолей имеют особенность отделяться от основного опухолевого узла и распространяться в глубину окружающих здоровых тканей с неприятными последствиями для организма больного. Это явление называется опухолевой инвазией [4]. Борьба с инвазией – одна из главных задач практической онкологии. Поэтому изучение закономерностей и механизмов прикрепления и перемещения во внеклеточном матриксе не только нормальных,

но также и опухолевых клеток, изучение регуляции их размножения и других функций является предметом исследований клеточных биологов во всем мире. ЛИТЕРАТУРА 1. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. 2: Цитоскелет, способный чувствовать и помнить // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4. С. 4–10. 2. Агол В.И. Генетически запрограммированная смерть клеток // Там же. № 6. С. 20–24. 3. 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. 4. Ровенский Ю.А. Клеточные и молекулярные механизмы опухолевой инвазии // Биохимия. 1998. Т. 63, вып. 9. С. 1204–1221. 5. Ровенский Ю.А., Ашкинази Л.А. Ползком по поверхности: Спор о том, может ли клетка освоить сопромат // Химия и жизнь. 1994. № 5. С. 60–66. 6. Ровенский Ю.А. Как клетки перешагивают пропасти // Там же. 1999. № 1. С. 20–21.

Рецензент статьи Ю.М. Васильев *** Юрий Александрович Ровенский, доктор медицинских наук, главный научный сотрудник лаборатории механизмов канцерогенеза НИИ канцерогенеза Всероссийского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина РАМН. Область научных интересов – топографические клеточные реакции, сканирующая электронная микроскопия нормальных и опухолевых клеток. Автор более 90 научных работ, включая монографию и атлас.

РОВЕНСКИЙ Ю.А. КАК КЛЕТКИ ОРИЕНТИРУЮТСЯ НА МЕСТНОСТИ

11