Нанотрубочки помогают клеткам общаться друг с другом

Клетки обмениваются сигналами, находясь на большом расстоянии друг от друга, с помощью белковых нанотрубочек (фотография: Xiang Wang и Hans-Hermann Gerdes)

Ученые обнаружили новый способ передачи сигналов между клетками, который может объяснить события, происходящие в организме с момента начала эмбиогенеза до появления активности в клетках головного мозга.

Результаты исследования норвежских ученых, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences [1], показывают, что передача сигналов между клетками, находящимися на расстоянии друг от друга, осуществляется с помощью специальных нанотрубочек, представляющих собой ультратонкие нити, содержащие белок актин. В передаче сигнала также участвуют так называемые коннексины – белки, формирующие поры (нексусные контакты или нексусы) между прилежащими друг к другу клетками. Ранее передача электрических импульсов считалась быстрым способом связи друг с другом главным образом клеток сердца и головного мозга. Однако позже нанотрубочки и коннексины, формирующие нексусы, были обнаружены в клетках самых разных органов и тканей, что говорит о большей распространенности электрического способа взаимодействия клеток.

«Между клетками протянут «телефонный кабель», позволяющий им общаться друг с другом», - объясняет один из соавторов статьи Ганс-Герман Гердес (Hans-Hermann Gerdes), клеточный биолог из Бергенского Университета (University of Bergen) (Норвегия).

«Результаты исследования предполагают, что клетки могут использовать электрические импульсы для передачи сигнала на большие расстояния, а также то, что взаимосвязь клеток намного сильнее, чем мы ранее считали», - рассказывает клеточный биолог Дэниел Дэвис (Daniel Davis).

Шесть лет назад группа ученых под руководством Гердеса с помощью метода световой микроскопии обнаружила ультратонкие нити, объединяющие в сеть клетки почки (нефроциты). Эти нити тянулись между клетками почек на расстояния большие, чем диаметр нескольких клеток [2]. Ученые назвали их туннельными нанотрубочками (tunnelling nanotubes), но сегодня их также называют мембранными нанотрубочками. По таким нанотрубочкам, как было показано, могут транспортироваться различные молекулы, а также некоторые патогенные вирусы. Например, ВИЧ-1 может передвигаться по нанотрубочкам, распространяясь среди иммунной системы, прионы аналогичным образом распространяются между нейронами. Однако до сих пор остается неясным, каким образом клетка выстраивает нанотрубочку, «открывает» мембрану другой клетки и передает ей транспортируемые вещества. Более того, не существует веских доказательств того, что нанотрубочки физиологически необходимы клетке. Это заставляет многих ученых сомневаться в их существовании.

Микробиолог из Йельского Университета в Нью Хэвен в штате Коннектикут (Yale University in New Haven) Уолтер Мозес (Walther Mothes) критикует работы, посвященные нанотрубочкам, но признает, что впечатлен результатами последнего исследования, а особенно демонстрацией учеными того факта, что нанотрубочки взаимодействуют для передачи сигналов с нексусами.

«Я думаю, что идея о наличии нанотрубочек не может объяснить существующие феномены в соответствии с общепринятыми биологическими концепциями. Но эта статья возвращает нас в область правдоподобных концепций о биологии клеток, к которым, например, относится концепция о наличии нексусов», - говорит Мозес.

С помощью электрофизиологических методов ученые показали, что поток ионов проходит вдоль нанотрубочек и вызывает открытие ионных каналов на мембранах взаимодействующих клеток. Возникающий поток ионов может регулировать различные пути клеточного метаболизма, которые, например, участвуют в процессе движения клетки. Исследователи также обнаружили, что, если у клетки отсутствуют или инактивированы нексусы, потока ионов не наблюдается.

«Передача сигналов на большие расстояния может иметь значение при скоординированной миграции клеток, наблюдающейся в развивающемся эмбрионе.
Например, клетки собираются в два валика, чтобы сформировать нервную трубку, предшествующую центральной нервной системе у эмбрионов позвоночных. Клетки, очевидно, общаются друг с другом для того, чтобы синхронизировать свое поведение, но как они это делают, было не ясно. Опосредованная нанотрубочками передача электрических импульсов представляет собой альтернативу другим видам межклеточной взаимосвязи, которые требуют непосредственного контакта между клетками или выделения растворимых соединений, - объясняет Гердес, – Результаты исследования указывают также на наличие дополнительных путей взаимосвязи между клетками головного мозга, что значительно усложняет систему его организации».

«Авторы этого исследования выявили интересный способ, с помощью которого клетки могут обмениваться сигналами, находясь на расстоянии друг от друга. Это означает, что клетки не обязательно должны соприкасаться друг с другом для того, чтобы выполнить скоординированное движение. Понимание того, какая физиологическая информация передается по этим нанотрубочкам, станет главным вопросом будущих исследований», - говорит Майкл Левин (Michael Levin) из Университета Тафтса в Медфорде в штате Массачусетс (Tufts University in Medford, Massachusetts).

По материалам:
NatureNews

Литература:

1. Wang, X. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA doi:10.1073/pnas.1006785107 (2010).
2. Rustom, A. et al. Science 303, 1007-1010 (2004).