Говорят, что картинка стоит тысячи слов, но новые изображения структурных волокон внутри клетки могут представлять собой более миллиона слов из сотен исследовательских работ за последние три десятилетия.
Изображения, полученные учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), показывают нитевидные цитофиламенты, достигающие и пересекающие ядро клетки молочной железы, заполненное хроматином. Это первое визуальное свидетельство физической связи, по которой гены могут получать механические сигналы от своего микроокружения.
Изображения появляются в исследовании, размещенном на обложке Journal of Cell Science в специальном выпуске 3D Cell Biology, опубликованном в этом месяце. Работа, предшествовавшая созданию изображений, началась в начале 1980-х годов, когда Мина Бисселл из Berkeley Lab выдвинула идею о том, что экспрессия генов и судьба клеток зависят от их физического окружения, называемого внеклеточным матриксом..
В наших телах где-то между 30-70 триллионами клеток, все с одной и той же последовательностью ДНК, так что я говорю с 1981 года, что нечто иное, чем последовательность генов, должно позволить носу быть нос, а не локоть», - сказал Бисселл, заслуженный научный сотрудник отдела биологических систем и инженерии лаборатории Беркли и соавтор этого исследования. «Когда меняется форма, меняется и биология».
Концепция доминирования фенотипа над генотипом изначально была встречена с большим скептицизмом, но с тех пор она стала общепринятой. До этого считалось, что доминирующие сигналы, определяющие клеточную функцию и форму, контролируются только небольшими растворимыми молекулами, такими как гормоны и факторы роста, тогда как внеклеточные молекулы внеклеточного матрикса (ECM) представляют собой большие нерастворимые белки.
Доказательства механического воздействия
Сотни статей, в том числе около 400, написанных Бисселлом или в соавторстве с ним, предоставили важные подсказки, показывающие, что сигналы от физических сил вне клетки могут резко изменить функцию клетки. Выращивая клетки в трехмерном геле, который включает внеклеточный матрикс, исследователи уговорили образцы клеток молочной железы кормящих мышей производить молоко. Это показало, что функция клеток зависит от наличия надлежащей трехмерной среды для роста.
«Мы знали, что внеклеточный матрикс влияет на экспрессию генов, но до сих пор не понимали, что цитоскелет действительно может соединяться внутри ядра», - сказал Бисселл.«Теперь мы знаем, что существует прямая связь с ядром. Это то, что мы показываем здесь впервые. Это абсолютно новинка».
Бисселл объединился с Манфредом Ауэром, главой отдела визуализации клеток и тканей отдела молекулярной биофизики и интегративной биовизуализации лаборатории Беркли и соавтором исследования.
«Чтобы получить эти изображения, потребовались достижения в области криогенных методов подготовки образцов и электронной микроскопии большого объема», - сказал Ауэр.
Также важными были разработки в области визуализации со сверхвысоким разрешением соавтора исследования Ке Сюй, научного сотрудника лаборатории Беркли и доцента кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли. В частности, Сюй работает со стохастической микроскопией оптической реконструкции, или STORM, для создания изображений клеток с субдифракционным разрешением.
Сотни миллионов точек данных для получения одного изображения
«Мы объединили рекордные шесть различных методов визуализации и сотни миллионов точек данных, чтобы получить эти изображения», - сказал Ауэр.«Интегративный подход к биовизуализации включал в себя три различных подхода к визуализации с помощью оптического света и трех различных подходов к визуализации с помощью электронной микроскопии, каждый из которых имеет свои сильные стороны. Эта новая интеграция подходов к визуализации позволила нам изучить нечто столь сложное, как эта система цитофиламентов».
С четкостью, обеспечиваемой изображением сверхвысокого разрешения, исследователи смогли показать, что цитоскелет слился с белками SUN, типом белка, участвующего в связях между ядром в форме пончика и клеточной цитоплазмой.
«Это исследование впервые устанавливает долго постулируемую механическую связь между ядром клетки и комплексами адгезии, которые обеспечивают связь с окружающим внеклеточным матриксом и другими клетками», - сказал Ауэр.
То, что ранее было видно с помощью других методов визуализации, было сигнальными следами цитоскелета, проходящими через цитоплазму клетки, но для выявления глубоких инвагинаций в ядре клетки и через него потребовалась эта мощная интегрированная биовизуализация, использованная в исследовании. Инвагинации содержали цитофиламенты, прикрепленные к ядерной мембране, таким образом обеспечивая макромолекулярную магистраль, позволяющую кабелям цитоволокон, которые, как известно, взаимодействуют с внеклеточным матриксом, перемещаться извне клетки к ее ядру.
«Причина, по которой мы взволнованы, заключается в том, что это объясняет огромное количество литературы о том, как сила и напряжение могут играть роль вместе с биохимическими сигналами, вызывая огромные изменения в клетке», - сказал Бисселл.