Когда отдельную клетку кладут на ровную поверхность, она не стоит на месте, а начинает двигаться. Это явление наблюдал британский клеточный биолог Майкл Аберкромби еще в 1967 году. С тех пор исследователи пытаются понять, как клетки совершают этот подвиг. Известно следующее: клетки образуют так называемые ламеллиподии - клеточные выпячивания, которые постоянно растут и сокращаются, - чтобы продвигаться к сигнальным сигналам, таким как химические аттрактанты, вырабатываемые и секретируемые другими клетками. Когда такие внешние сигналы отсутствуют, как в наблюдении Аберкромби, клетки начинают их активно искать. При этом они используют схемы поиска, которые также можно наблюдать у акул, пчел или собак. Они мимолетно движутся в одном направлении, останавливаются, некоторое время покачиваются на месте, а затем продолжают движение в другом направлении. Но как клеткам удается сохранять направление своего движения в течение более длительного периода времени?
Исследователи из кластера передового опыта Cells-in-Motion Университета Мюнстера (Германия) расшифровали строительный блок для ответа на этот вопрос. Они обнаружили, что геометрия мембраны может запускать последующие ламеллоподиальные циклы: механические силы вызывают искривление мембраны, где собираются определенные белки, распознающие эту геометрию. Эти белки, в свою очередь, позволяют клетке формировать ламеллиподии. «Искривление, образующееся при ретракции, уже предопределяет рост следующего ламеллоподиального цикла. Вот как механизм постоянно реактивируется», - объясняет биолог доктор Милош Галич, младший руководитель исследовательской группы Cluster of Excellence и старший автор исследования. Когда внешние сигналы отсутствуют, клетка не просто останавливается и топчется на месте - она способен на мгновение двигаться в одном направлении и эффективно патрулировать окружающую среду Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.
Методы и дальнейшие результаты
Отправной точкой исследования стало неожиданное наблюдение, сделанное при анализе микроскопических изображений. Исследователи изучали, как клетки формируют ламеллоподии и, как следствие, как меняются движение и форма клеток. Они обнаружили, что ламеллиподии эволюционировали в широком диапазоне размеров и имели очень разную продолжительность жизни. «В данных мы не смогли распознать какие-либо повторяющиеся закономерности в росте и сокращении ламеллоподий», - говорит биолог, доктор Изабель Бегеманн, которая провела исследование в качестве ведущего автора в рамках своей докторской диссертации. Исследователи смогли определить, как и в работе других групп, что участки последующего расширения ламеллиподий возникали там, где клеточная мембрана сильно искривлялась. Поэтому они предположили, что механизм, связанный с этими кривизнами, может определять непрерывные циклы движения и, как следствие, постоянство движения.
Биологи, биохимики и физики тесно сотрудничали, чтобы исследовать эту идею. Сначала они разработали биосенсоры для маркировки сильно искривленных участков клеточной мембраны и визуализировали их с помощью различных средств микроскопии высокого разрешения. С этой целью они соединили флуоресцентные молекулы с так называемыми доменами I-BAR. Это бананообразные области белков, положительно заряженная сторона которых связывает отрицательно заряженную клеточную мембрану, но только тогда, когда мембрана искривлена. Воспользовавшись преимуществами этих биосенсоров, исследователи смогли продемонстрировать, что чувствительные к искривлению белки накапливаются в местах сокращения ламеллиподия. После обогащения эти белки индуцируют выпячивающие силы в клетке через белок актин, который запускает рост ламеллиподия. На следующем этапе исследователи разработали математическую модель, воссоздающую механизм, и смоделировали его на компьютере с использованием различных комбинаций параметров. Сравнение предсказаний, полученных на основе математической модели, с дополнительными экспериментальными данными визуализации еще больше укрепило полученные результаты.
Исследователи нашли доказательства наличия выявленного механизма подвижности в моделях клеточных культур, например, в клетках соединительной ткани, полученных от мышей, в клетках кровеносных сосудов человека из пуповины, а также в иммунных клетках человека, т.е. тип клеток, который действительно свободно перемещается внутри организма. Наконец, исследователи также хотели знать, какое влияние предложенный механизм оказывает на характер подвижности клетки. «Мы снизили уровень регуляции белков I-BAR, что позволило нам «взломать» систему самоорганизации клетки», - говорит Милош Галич. Без механизма ячейке все же удается двигаться, но область поиска становится существенно меньше. Параллельно с этим механизмом, безусловно, существуют и другие механизмы, которые переплетаются, но этот механизм влияет на паттерн подвижности клетки. Результаты исследования могут в будущем помочь ответить на фундаментальные вопросы о процессах в организмах с участием свободно движущихся клеток.