Новые данные о передаче сигналов между клетками
05.05.2011
2284
0
22840
Норвежские ученые выяснили, что большинство клеток организма взаимодействует друг с другом посредством электрических сигналов, передаваемых через наноскопические трубочки, образуемые цитоплазматической мембраной клетки. Это сенсационное открытие поможет объяснить, каким образом осуществляется слаженное взаимодействие клеток в таких сложных процессах, как развитие тканей эмбриона и заживление ран.
Уже около 10 лет назад ученые выяснили, что клетки могут образовывать ультратонкие трубочки, называемые тоннельными нанотрубочками (ТНТ), длина которых составляет 2-3 клетки, а толщина - всего одну пятисотую часть толщины человеческого волоса. Такие нанотрубочки образуются практически между всеми типами клеток и представляют собой коммуникационные каналы, механизм работы которых отличается от всех ранее описанных типов межклеточного взаимодействия.
В 2010 г. ученые с факультета биомедицины Бергенского Университета (University of Bergen's Department of Biomedicine, Норвегия), профессор Ксианг Ванг (Xiang Wang) и профессор Ганс-Германн Гердс (Hans-Hermann Gerdes), обнаружили, что через эти нанотрубочки клетки могут передавать электрические сигналы с высокой скоростью (1-2 мс).
В своем исследовании Ванг использовал флуоресцентный краситель, меняющий интенсивность свечения при изменении электрического потенциала клеточной мембраны. При формировании между клетками, культивируемыми в чашке Петри, контакта с помощью нанотрубочек, ученый протыкал одну из клеток микроскопической иглой, чтобы вызвать деполяризацию мембраны. Это приводило к возникновению флуоресцентного сигнала на самой клетке, а также на соседней, соединенной с ней нанотрубочкой.
Прорывное открытие было сделано еще в 2007 г., когда ученые провели эксперимент, продемонстрировавший межклеточную передачу электрического сигнала по нанотрубочкам. Позже ученые провели подобные исследования и с другими типами клеток, и наблюдали при этом аналогичные процессы.
«Мы доказали, что это распространенный феномен среди клеток, - объясняет профессор Гердес, - Однако он встречается далеко не у всех типов клеток».
Эксперимент был проделан множество раз, чтобы получить статистически достоверные данные. Группа электрофизиологов из Университета Бергена измерила электропроводность клеточных систем, чтобы определить силу электрической связи между клетками. Осенью 2010 г. результаты были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Межклеточные нанотрубочки не постоянны. Большинство из них существует лишь в течение нескольких минут, и пока ученые не могут предсказать, при каких условиях клетки образуют контакты с помощью нанотрубочек.
«Это действительно трудоемкая работа, - говорит профессор Гердс, - Вы можете часами сидеть за микроскопом в ожидании формирования единственной нанотрубочки».
Чтобы повысить вероятность нахождения нанотрубочек, ученые разработали микро-матрицу, представляющую собой тысячи наноскопических точек и мостиков на поверхности специальной пластины размером с почтовую марку. Пластина покрыта мономолекулярным слоем вещества, к которому прикрепляются клетки. Ученые помещают клетки на точки, надеясь, что нанотрубочки будут образовываться вдоль мостиков между точками.
Как клетки это делают?
Ванг выяснил, что просто присутствия нанотрубочек недостаточно для передачи электрического сигнала. На мембране многих клеток есть крошечные поры, называемые щелевыми контактами, которые состоят из кольцевидных белков. Еще в 1960-х гг. было выяснено, что соседние клетки могут обмениваться электрическими импульсами через эти контакты. Ванг обнаружил, что один конец нанотрубочки перед передачей электрического импульса всегда связывается с клеткой через щелевой контакт.
Он также обнаружил, что в некоторых клетках в передачу сигнала вовлечены потенциал-зависимые кальциевые каналы. Когда электрический сигнал, посланный через нанотрубочки, достигает мембраны воспринимающей клетки, поверхность мембраны деполяризуется, благодаря чему кальциевые каналы открываются, и ионы кальция входят в клетку.
«Иными словами, мы имеем 2 компонента передающей сигнал системы: нанотрубочки и щелевые контакты, - объясняет Гердс, - Нанотрубочки берут начало из одной клетки и связываются с другой клеткой через щелевые контакты. Только этом случае две клетки могут обменяться электрическими сигналами».
В настоящее время ученые пытаются разобраться, почему клетки посылают друг другу сигналы именно таким образом.
«Вполне возможно, открытие нанотрубочек позволит нам лучше разобраться в процессах межклеточной коммуникации, а также изучить взаимодействия клеток во время роста и развития эмбриона, когда клетки мигрируют на длинные дистанции, демонстрируя коллективное «поведение», - говорит Гердес.
«Нанотрубочки также могут объяснить сложные взаимодействия клеток при заживлении ран. Известно, что электрические сигналы тем или иным образом вовлечены в этот процесс, однако о том, участвуют ли в нем нанотрубочки, ученые пока могут только догадываться», - говорит Гердс.
Нервные клетки
В плане передачи электрических сигналов головной мозг превосходит все остальные органы. Если бы оказалось, что механизм взаимодействия клеток с помощью нанотрубочек имеет место и среди нервных клеток головного мозга, это расширило бы представления о функциях мозга. Синапсы – главный коммуникационный механизм нервных клеток – открыты давно и по принципу действия сильно отличаются от нанотрубочек. Для нейробиологов из Бергенского Университета настоящее исследование – это, прежде всего, возможность объяснить феномен «разумности» электрических взаимодействий клеток в головном мозге.
В настоящее время ученые исследуют механизм, посредством которого нанотрубочки функционируют в нервной ткани. Профессор Гердс проводит исследование в Европейской Лаборатории Молекулярной Биологии (European Molecular Biology Laboratory) в Гейдельберге (Германия) с целью изучения электрических взаимодействий клеток in vivo, надеясь понять, как механизм работает у живых объектов. Результаты исследования помогут лучше изучить заболевания, развивающиеся вследствие нарушений механизма взаимодействия клеток.
Межклеточный контакт, образованный с помощью нанотрубочки, позволяет передавать электрический сигнал (фото: UiB)
По материалам:
The Research Council of Norway
Оригинальная статья:
X. Wang, M. L. Veruki, N. V. Bukoreshtliev, E. Hartveit, H.-H. Gerdes. Animal cells connected by nanotubes can be electrically coupled through interposed gap-junction channels. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010; 107 (40)
Уже около 10 лет назад ученые выяснили, что клетки могут образовывать ультратонкие трубочки, называемые тоннельными нанотрубочками (ТНТ), длина которых составляет 2-3 клетки, а толщина - всего одну пятисотую часть толщины человеческого волоса. Такие нанотрубочки образуются практически между всеми типами клеток и представляют собой коммуникационные каналы, механизм работы которых отличается от всех ранее описанных типов межклеточного взаимодействия.
В 2010 г. ученые с факультета биомедицины Бергенского Университета (University of Bergen's Department of Biomedicine, Норвегия), профессор Ксианг Ванг (Xiang Wang) и профессор Ганс-Германн Гердс (Hans-Hermann Gerdes), обнаружили, что через эти нанотрубочки клетки могут передавать электрические сигналы с высокой скоростью (1-2 мс).
В своем исследовании Ванг использовал флуоресцентный краситель, меняющий интенсивность свечения при изменении электрического потенциала клеточной мембраны. При формировании между клетками, культивируемыми в чашке Петри, контакта с помощью нанотрубочек, ученый протыкал одну из клеток микроскопической иглой, чтобы вызвать деполяризацию мембраны. Это приводило к возникновению флуоресцентного сигнала на самой клетке, а также на соседней, соединенной с ней нанотрубочкой.
Прорывное открытие было сделано еще в 2007 г., когда ученые провели эксперимент, продемонстрировавший межклеточную передачу электрического сигнала по нанотрубочкам. Позже ученые провели подобные исследования и с другими типами клеток, и наблюдали при этом аналогичные процессы.
«Мы доказали, что это распространенный феномен среди клеток, - объясняет профессор Гердес, - Однако он встречается далеко не у всех типов клеток».
Эксперимент был проделан множество раз, чтобы получить статистически достоверные данные. Группа электрофизиологов из Университета Бергена измерила электропроводность клеточных систем, чтобы определить силу электрической связи между клетками. Осенью 2010 г. результаты были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Межклеточные нанотрубочки не постоянны. Большинство из них существует лишь в течение нескольких минут, и пока ученые не могут предсказать, при каких условиях клетки образуют контакты с помощью нанотрубочек.
«Это действительно трудоемкая работа, - говорит профессор Гердс, - Вы можете часами сидеть за микроскопом в ожидании формирования единственной нанотрубочки».
Чтобы повысить вероятность нахождения нанотрубочек, ученые разработали микро-матрицу, представляющую собой тысячи наноскопических точек и мостиков на поверхности специальной пластины размером с почтовую марку. Пластина покрыта мономолекулярным слоем вещества, к которому прикрепляются клетки. Ученые помещают клетки на точки, надеясь, что нанотрубочки будут образовываться вдоль мостиков между точками.
Как клетки это делают?
Ванг выяснил, что просто присутствия нанотрубочек недостаточно для передачи электрического сигнала. На мембране многих клеток есть крошечные поры, называемые щелевыми контактами, которые состоят из кольцевидных белков. Еще в 1960-х гг. было выяснено, что соседние клетки могут обмениваться электрическими импульсами через эти контакты. Ванг обнаружил, что один конец нанотрубочки перед передачей электрического импульса всегда связывается с клеткой через щелевой контакт.
Он также обнаружил, что в некоторых клетках в передачу сигнала вовлечены потенциал-зависимые кальциевые каналы. Когда электрический сигнал, посланный через нанотрубочки, достигает мембраны воспринимающей клетки, поверхность мембраны деполяризуется, благодаря чему кальциевые каналы открываются, и ионы кальция входят в клетку.
«Иными словами, мы имеем 2 компонента передающей сигнал системы: нанотрубочки и щелевые контакты, - объясняет Гердс, - Нанотрубочки берут начало из одной клетки и связываются с другой клеткой через щелевые контакты. Только этом случае две клетки могут обменяться электрическими сигналами».
В настоящее время ученые пытаются разобраться, почему клетки посылают друг другу сигналы именно таким образом.
«Вполне возможно, открытие нанотрубочек позволит нам лучше разобраться в процессах межклеточной коммуникации, а также изучить взаимодействия клеток во время роста и развития эмбриона, когда клетки мигрируют на длинные дистанции, демонстрируя коллективное «поведение», - говорит Гердес.
«Нанотрубочки также могут объяснить сложные взаимодействия клеток при заживлении ран. Известно, что электрические сигналы тем или иным образом вовлечены в этот процесс, однако о том, участвуют ли в нем нанотрубочки, ученые пока могут только догадываться», - говорит Гердс.
Нервные клетки
В плане передачи электрических сигналов головной мозг превосходит все остальные органы. Если бы оказалось, что механизм взаимодействия клеток с помощью нанотрубочек имеет место и среди нервных клеток головного мозга, это расширило бы представления о функциях мозга. Синапсы – главный коммуникационный механизм нервных клеток – открыты давно и по принципу действия сильно отличаются от нанотрубочек. Для нейробиологов из Бергенского Университета настоящее исследование – это, прежде всего, возможность объяснить феномен «разумности» электрических взаимодействий клеток в головном мозге.
В настоящее время ученые исследуют механизм, посредством которого нанотрубочки функционируют в нервной ткани. Профессор Гердс проводит исследование в Европейской Лаборатории Молекулярной Биологии (European Molecular Biology Laboratory) в Гейдельберге (Германия) с целью изучения электрических взаимодействий клеток in vivo, надеясь понять, как механизм работает у живых объектов. Результаты исследования помогут лучше изучить заболевания, развивающиеся вследствие нарушений механизма взаимодействия клеток.
Межклеточный контакт, образованный с помощью нанотрубочки, позволяет передавать электрический сигнал (фото: UiB)
По материалам:
The Research Council of Norway
Оригинальная статья:
X. Wang, M. L. Veruki, N. V. Bukoreshtliev, E. Hartveit, H.-H. Gerdes. Animal cells connected by nanotubes can be electrically coupled through interposed gap-junction channels. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010; 107 (40)
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
