Исследователи в Японии считают, что они нашли ответ на фундаментальный биологический вопрос: как отдельные клетки узнают, как позиционировать себя в сложном многоклеточном организме. В зависимости от назначения клетки в более крупной структуре контактные или диффузные химические сигналы направляют ее к конечному пункту назначения.
Путь от яйцеклетки и спермы к полностью взрослому телу требует большего, чем просто умножение. Растения, животные и люди состоят из триллионов клеток, тщательно организованных в более крупные структуры, такие как ткани и органы. Каким-то образом каждая клетка знает, где ей место - в левой половине сердца, во внутренней оболочке толстой кишки и т. д. - и обычно остается на месте.
Практически невозможно проанализировать, что происходит, когда клетки позиционируют себя в многоклеточных организмах, потому что существует так много игроков: разные типы клеток, разные молекулы внутри клеток, разные химические сигналы вне клеток, рост клеток, запрограммированная гибель клеток. », - сказал профессор Сатоши Савай из Токийского университета, эксперт в области биологической физики - области, которая использует принципы физики для понимания живых систем.
Система слизевиков
Слизевики представляют собой более простую систему для понимания позиционирования клеток. Слизевики являются амебами, но по размеру и форме схожи с лейкоцитами человека и разделяют фундаментальные аспекты клеточной динамики, такие как миграция и поглощение болезнетворных патогенов.
Отдельные клетки слизевика Dictyostelium discoideum могут существовать самостоятельно, свободно живя в почве и питаясь бактериями и грибами. Когда еды не хватает, независимые клетки слизевика слипаются и функционируют как многоклеточный организм.
Когда клетки слизевика собираются вместе, иногда 100 клеток, иногда 10 000 клеток, они дифференцируются на два различных типа.
Первый тип, предстеблевые клетки, в конечном итоге образует столбик, который поддерживает сферу, состоящую из второго типа, предспоровых клеток. Исследователи называют эту двухчастную структуру плодовым телом. Клетки, предшествующие стеблю, погибнут, так как клетки, предшествующие спорам, в конце концов унесутся ветром в более подходящую среду, где они смогут расти и снова делиться как независимые амебы.
Внутри комка, до того, как сформируется плодовое тело, клетки прикрепляются, образуя длинные цепочки, и кружатся вокруг, погружаясь в химический сигнал, который они выделяют. Впервые идентифицированный в 1970-х годах, этот диффузионный химикат, называемый цАМФ, притягивает клетки.
Традиционно считалось, что степень притяжения к сигналам цАМФ разделяет клетки на клетки до стебля и до споры. Однако более поздние генетические эксперименты показали, что молекулы, связанные с адгезией или контактом между клетками, также могут быть важны.
«Что замечательно в слизевиках, так это то, что вы можете отделить отдельные клетки от более крупной структуры, и они по-прежнему будут делать свое дело, ведя себя естественно в относительно простой среде, которая имитирует многоклеточную среду», - сказал Савай..
Два типа сигналов
В своих новых экспериментах исследователи взяли клетки из многоклеточного скопления и отследили, как отдельные клетки мигрируют в ответ на искусственное прикосновение и сигналы цАМФ.
При формировании цепочек клеток лидерная клетка двигалась в направлении цАМФ. Клетки-последователи не тянулись за собой, а активно толкали клетки-лидеры вперед.
«Контакт между клетками активирует процессы движения клеток. Клетки-последователи - это двигатель, а клетки-лидеры - это рулевое колесо, всегда указывающее в направлении химического сигнала», - сказал Савай.
Исследователи также поместили отдельные клетки до стебля или споры с шариками, покрытыми молекулой адгезии, которая, по-видимому, функционирует в хвостовой части клеток. Все клетки прикреплены к шарику, как в цепочке клеток. Затем исследователи добавили в эксперимент цАМФ. Предварительно стеблевые клетки освобождали шарик и двигались к источнику цАМФ. Однако преспоровые клетки игнорировали цАМФ и крепко держались за шарик.
Исследовательская группа Саваи продемонстрировала, что контакт головы к хвосту между клетками направляет их миграцию, но цАМФ каким-то образом подавляет этот контакт только в клетках до стебля.
Многие люди думают, что нужно отправиться на Марс, чтобы найти фундаментальные законы того, что делает жизнь. Но мы можем посмотреть на все еще неисследованные ветви дерева жизни здесь, на Земле. Слизевики дают нам намекает на то, что нужно искать, чтобы понять механистическую логику, лежащую в основе более сложных видов», - сказал Савай.
Это открытие важности межклеточного контакта для активации движения и организации клеток откроет новые возможности для изучения формирования клеточного паттерна в таких событиях, как развитие эмбриона или распространение рака молочной железы.