Статья: Социальное поведение нормальных клеток и антисоциальное поведение опухолевых клеток
ВВЕДЕНИЕ. МИКРОСРЕДА КЛЕТКИ
Поведение клетки в организме определяется средой, непосредственно окружающей эту клетку. Такая микросреда состоит из компонентов трех типов: а) соседних клеток; б) внеклеточных поверхностей, с которыми контактирует клетка, например, поверхностей коллагеновых волокон и других волокон, выделяемых клеткой (так называемого внеклеточного матрикса), и в) жидкой среды: тканевой жидкости, крови и лимфы. В упрощенных условиях культуры клетки также окружены трехкомпонентной микросредой: жидким компонентом здесь является питательная среда, а среди внеклеточных поверхностей наряду с волокнами матрикса имеется внутренняя поверхность культурального сосуда - подложка культуры. Все поведение нормальной клетки определяется сигналами, получаемыми из микросреды.
В предыдущей статье [5] мы разобрали некоторые механизмы регуляции деления и гибели клеток молекулами жидкого компонента микросреды - факторами роста и гормонами. В этой статье мы рассмотрим реакции клетки на два других компонента микросреды - на контакт с внеклеточным матриксом и поверхностью других клеток. Сложность этих взаимодействий в том, что они двусторонни: при контакте между клетками, разумеется, меняются обе клетки; при контакте с матриксом меняется не только клетка, но и матрикс. В результате множества таких взаимодействий группы клеток обустраивают ту территорию, на которой они живут, строят ткани и органы. Эта деятельность клеток аналогична деятельности людей, обустраивающих свою локальную территорию: дом и участок вокруг дома. При этом и люди и клетки совместно определяют границы между территориями соседей, строят свои дома или заселяют дома, построенные другими, а также организуют связи с ближними и дальними домами.
Изучению механизмов контактных реакций, ведущих к построению тканей (морфогенетических реакций), очень помогает сравнение поведения нормальных и опухолевых клеток. Как мы знаем, у опухолевых клеток реакции на внешние сигналы нарушаются в результате мутаций определенных генов: протоонкогенов и антионкогенов. Рассмотрим нарушения способности к морфогенетическим реакциям, возникающие в результате таких мутаций.
КЛЕТКИ ОБУСТРАИВАЮТ ТЕРРИТОРИЮ КУЛЬТУРЫ
Простейший вариант обустройства своей территории группой клеток - организация многоклеточной структуры, подобной ткани, из изолированных клеток эпителия или соединительной ткани ( фибробластов), высаженных в культуру, где клетки прикрепляются ко дну (подложке) сосуда, заполненного жидкой питательной средой. Одной из важных реакций, возникающих при такой организации, являются выработка и выделение специальных белков внеклеточного матрикса. Эти белки прикрепляются ко дну сосуда, а также полимеризуются вокруг клетки в особые нити, например коллагеновые волокна. Фибробласты в культуре, как и в организме, образуют рыхлую сеть таких волокон, окружающих клетки со всех сторон. Эпителиоциты образуют более густую решетку из особых коллагеновых волокон - так называемую базальную мембрану между клеткой и подложкой.
Клетка, коснувшаяся подложки с сорбированными молекулами белков матрикса или волокон матрикса, сделанных ею самой или другими клетками, начинает тут же реагировать на этот контакт, меняя форму и перестраивая цитоскелет (рис. 1). Мы уже разбирали механизмы таких реакций в предыдущих статьях [4]. Повторим коротко суть происходящих при этом процессов. Центральной реакцией здесь является образование подвижных отростков - псевдоподий, наполненных внутри актиновыми филаментами. Поверхность псевдоподий образует затем специальные структуры - фокальные адгезии, где скопления белков-рецепторов прикрепляют мембрану этой клетки к белкам матрикса и через них к подложке. С внутренней стороны мембраны молекулы тех же рецепторов соединяются с актиновыми филаментами цитоскелета. Сокращения этих натянутых и прикрепленных к матриксу филаментов могут вызвать подтягивание всей клетки к фокальной адгезии. Многократное повторение этих реакций - основа движений клетки по подложке.
Клетки реагируют также на контакт с поверхностью другой клетки. Этот сигнал вызывает две реакции: остановку образования псевдоподий в направлении другой клетки (контактное торможение движений [4] и образование адгезионных структур второго типа (межклеточных адгезий).
Таким образом, комплекс морфогенетических реакций в культуре включает секрецию белков матрикса, образование и сокращение псевдоподий, образование адгезий между мембраной псевдоподий и матриксом и мембранами соседних клеток, а также контактное торможение движений. В результате многократного повторения таких реакций клетки организуются в многоклеточные системы, очень похожие на те ткани, которые те же клетки (эпителиоциты и фибробласты) строят в организме.
Рис. 1. Топография поверхности нормальных и трансформированных фибробластов в культуре. Сканирующие электронные микрофотографии Ю.А. Ровенского: а - нормальный мышиный фибробласт в жидкой среде. Сферическая клетка с многочисленными пузырчатыми выпячиваниями на поверхности. Увел. 3800; б - нормальный мышиный фибробласт, прикрепившийся к плоскому дну сосуда. Клетка распласталась на подложке, ее поверхность стала гладкой. Впереди - уплощенная ламелла с рядом плоских псевдоподий; сзади - узкое тело клетки. Увел. 1600; в - трансформированный мышиный фибробласт, прикрепившийся к плоскому дну сосуда. Клетка плохо распласталась на подложке, и ее поверхность не стала совершенно плоской. На этой поверхности видны многочисленные короткие ворсинки, а на концах отростков - фестончатые псевдоподии. Увел. 800
Эпителиоциты соединяются друг с другом в пласт из клеток, плотно спаянных адгезиями друг с другом и сидящих на базальной мембране, - организация, очень похожая на однослойный эпителий в организме.
Фибробласты приобретают в культуре вытянутую форму, образование которой зависит от цитоскелетной системы микротрубочек [4]. Межклеточные адгезии у фибробластов в отличие от эпителиоцитов непрочны, они легко рвутся при движениях, и контактирующие клетки отделяются друг от друга. Поэтому фибробласты в культуре образуют систему из параллельно расположенных удлиненных клеток, между которыми располагается густая сеть волокон матрикса. В организме соединительные ткани и родственные им хрящевые и костные ткани построены по тому же типу - из клеток, отделенных друг от друга межклеточным матриксом разного состава (рис. 2). Такую систему можно сравнить с селом, где каждый индивидуум или группа индивидуумов отделен друг от друга большими приусадебными участками (структурами матрикса). Эпителий больше похож на коллектив, где индивидуумы более тесно связаны друг с другом, например на марширующую воинскую часть.
Рис. 2. Схема взаимоотношений между клетками (светло-коричневый цвет) и волокнами матрикса (синий цвет) в нормальной соединительной и эпителиальной ткани
КОНТАКТНЫЕ РЕАКЦИИ РЕГУЛИРУЮТ РАЗМНОЖЕНИЕ И ГИБЕЛЬ КЛЕТОК
Реакции с матриксом и подложкой не только приводят к построению тканей, но и участвуют в регуляции внутриклеточных процессов, и прежде всего размножения клеток (рис. 3). Нагляднее всего это видно из опытов, демонстрирующих зависимость размножения нормальных фибробластов от их прикрепления ко дну культуры и волокнам матрикса на этом дне (подложке). Когда мы делаем обычную культуру, то взвесь (суспензия) отделенных друг от друга клеток добавляется в питательную среду культурального сосуда, например чашки Петри. Под влиянием силы тяжести клетки взвеси опускаются на дно сосуда, прикрепляются к этому дну и лишь затем начинают размножаться, то есть вступают в митотический цикл [5]. Прикрепление клеток к подложке можно предотвратить, если добавить в среду вязкое вещество (агар или метилцеллюлозу), мешающее клеткам оседать на дно. Клетки остаются взвешенными в таком "студне", размножаться они не начинают. Достаточно, однако, поместить в вязкую среду очень маленькие стеклянные палочки, чтобы клетки, не севшие на дно, но прикрепившиеся к поверхностям таких висящих палочек, немедленно вступили в митотический цикл и образовали через несколько дней колонии клеток вокруг каждой палочки. Очевидно, митотический цикл здесь индуцируется прикреплением клетки к подложке или сходной с ней поверхности палочки.
Рис. 3. Регуляция размножения клеток в культуре. Жидкая среда синяя, стенки и дно сосуда черные. У неразмножающихся клеток ядра не окрашены, у клеток в митотическом цикле красные: а, б - нормальные клетки: а - зависимость размножения клетки от подложки: вступила в цикл лишь клетка, прикрепившаяся к поверхности дна сосуда (подложке), но не клетки, взвешенные в жидкой среде, б - зависимость размножения от плотности населения культуры. Среди клеток, прикрепленных к подложке, размножаются лишь те, которые граничат со свободной поверхностью этой подложки, но не клетки, окруженные со всех сторон соседями; в, г - опухолевые клетки размножаются без подложки в жидкой среде (в) и на подложке независимо от числа соседей
В отличие от контактов с подложкой контакты с другими клетками, по-видимому, приводят к торможению размножения (рис. 3). Действительно, когда в результате размножения клеток культура становится густой и на ее дне не остается незанятых клетками мест, то эти клетки перестают делиться, то есть выходят из митотического цикла в так называемую фазу покоя Go [5]. Если сделать рану (удалить бритвой со дна сосуда небольшой участок густой культуры), то контактное торможение на краю раны исчезает и клетки начинают мигрировать в рану на свободную подложку. Вскоре такие мигрировавшие клетки начинают в ране активно размножаться и делятся до тех пор, пока не зарастет вся рана, то есть свободная подложка. Эти опыты свидетельствуют о том, что размножение зависит от местной "густоты" населения культуры. Хотя они не доказывают строго, что именно прямые контакты клетка-клетка тормозят размножение, такая возможность представляется очень вероятной.
Контроль размножения с соседними клетками и подложкой в культуре аналогичен процессам, происходящим в организме, Приведем только один пример. Представьте себе царапину, нарушившую целостность эпителия кожи. Клетки эпителия по краю царапины начинают мигрировать на поверхность свободного матрикса и размножаются до тех пор, пока эта поверхность будет полностью закрыта.
Во всех случаях регулируется местное соотношение клеток и территорий, на которых они находятся. Нормальная клетка размножается только тогда, когда у нее есть свободная "площадь для жилья". Благодаря этим регуляциям поддерживается и восстанавливается после повреждений правильная тканевая структура (заживление ран!).
НАРУШЕНИЯ МОРФОГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПРИ ОПУХОЛЕВЫХ ТРАНСФОРМАЦИЯХ
Опыты с культурами показали, что при опухолевых трансформациях эпителиоцитов и фибробластов резко нарушаются все морфогенетические реакции на контакты с другими клетками и подложкой. Такие трансформированные клетки делают меньше матрикса, хуже прикрепляются к матриксу, подложке и другим клеткам. Нарушаются также контактные регуляции размножения. Например, клетки, взвешенные в вязкой среде, продолжают размножаться без прикрепления к подложке. Эти клетки размножаются и в густой культуре независимо от числа соседей. В результате тканевые системы эпителия и соединительной ткани в культуре и организме становятся хуже организованными, а в предельном случае такие системы вообще не образуются, но распадаются на отдельные клетки и группы клеток. В организме такие отделившиеся от ткани клетки начинают двигаться на соседние территории и размножаться там. Например, трансформированные клетки эпителия, отделившись от пласта, начинают мигрировать через дефектную базальную мембрану в окружающую соединительную ткань, а затем проникать в просвет сосудов, откуда они током лимфы или крови могут переноситься в другие органы. Такие крайние изменения способности к морфогенетическим реакциям и построению тканей обусловливают наиболее опасные свойства опухолевых клеток - способность к врастанию в нормальные ткани (инвазия) и к образованию колоний в других органах (метастазирование). Отметим, что способность к инвазии и метастазированию свойственна лишь клеткам опухолей, наиболее резко измененным генетически. Врачи называют такие опухоли злокачественными (рис. 4). Клетки с менее измененными морфогенетическими реакциями образуют доброкачественные опухоли, где имеются различные нарушения организации тканевых структур, но нет инвазии и метастазирования. Анализ генома показал, что клетки злокачественных опухолей человека имеют целую серию мутаций разных онкогенов и антионкогенов, тогда как клетки доброкачественных опухолей обычно имеют меньшее число таких мутаций. Таким образом, степень нарушения морфогенетических реакций и соответственно течение опухоли определяется числом и степенью изменений генома опухолевых клеток, одной мутации для развития рака обычно недостаточно.
Рис. 4. Два опухолевых клона среди клеток нормального эпителия. Нормальные клетки светло-коричневые. Клетки клона, образующего доброкачественную опухоль - полип (темно-коричневый цвет), дают избыточный рост и образуют выпячивание над поверхностью пласта, но не проникают в соединительную ткань под эпителием. Напротив, клетки злокачественного (ракового) клона (красный цвет) проникают под базальную мембрану в соединительную ткань
МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ КОНТАКТНЫХ РЕАКЦИЙ
В первой части статьи [5] мы разобрали основы молекулярных механизмов действия специальных сигнальных молекул из жидкой среды, регулирующих размножение клеток. Напомним, что такие молекулы связываются со специальными рецепторами в наружной мембране клетки и активируют эти рецепторы, а те, в свою очередь, активируют цепь промежуточных белков в цитоплазме, что в конце концов приводит к активации синтеза ядерных белков, необходимых для удвоения генома (ДНК) и подготовки деления. Онкогены опухолевых клеток - мутировавшие гены, кодирующие белки разных этапов цепей проведения сигналов. При опухолевых трансформациях онкогены, вызывающие нарушения реакций на гуморальные факторы, индуцируют, как мы видели, и нарушения морфогенетических реакций. Отсюда следует, что многие этапы обеих групп реакций на сигналы контролируют одни и те же белки, в частности специальные ферменты, присоединяющие фосфат к белку (киназы, см. [5]). Конечными этапами цепей активации морфогенетических реакций становятся, вероятно, какие-то белки цитоскелета, например, белки, связывающиеся с актиновыми филаментами [3] и вызывающие изменения сборки и сокращения псевдоподий и образования контактных адгезий. Действительно, у некоторых таких белков присоединение фосфата резко повышено в трансформированных клетках, однако пока еще неясно, каково значение изменений каждого конкретного белка в нарушениях морфогенеза. Другой нерешенный вопрос - какие рецепторы определяют контактную регуляцию размножения нормальных клеток. Вероятное предположение состоит в том, что активация и торможение размножения зависят от тех же белков, которые прикрепляют клетку к подложке и другим клеткам, то есть от белков-рецепторов мембраны адгезионных структур, соединяющихся с белками подложки или соседних клеток. Оказалось, что адгезионные структуры с подложкой (так называемые фокальные контакты, рис. 5) содержат не только белки, необходимые для механического соединения белков матрикса через мембрану с цитоскелетом, но и несколько десятков видов других белков, функции которых неясны. Среди этих "непонятных" белков имеются различные протоонкобелки, участвующие в проведении сигналов, в том числе ферменты-киназы. Зачем они здесь? Естественно предположить, что фокальные адгезии не только механические "склейки", но и "органы осязания" клетки, передающие сигнал от соприкосновения с другой поверхностью с наружной мембраны внутрь клетки и вызывающие активацию размножения. Возможно, что рецепторы адгезий клетка-клетка, наоборот, индуцируют другие сигналы, тормозящие размножение. Все эти гипотезы сейчас активно проверяются в разных лабораториях мира. Взаимодействие системы, проводящей сигналы от мембраны, с цитоскелетом определяет ту разумную организацию движений и изменений формы клеток, тот "разум цитоскелета", о котором говорилось в предыдущей статье [4].
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--