SlideShare a Scribd company logo
1 of 7
Download to read offline
THE CELL AS A MIRACLE          КЛЕТКА КАК АРХИТЕКТУРНОЕ
                            OF ARCHITECTURE
                            II. Cytoskeleton, able         ЧУДО
                            to sense and memorize
                                                           II. Цитоскелет, способный
                            Yu. M. VASIL’EV                чувствовать и помнить
                            The paper examines basic       û. å. ÇÄëàãúÖÇ
                            mechanisms of cellular
                                                           åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚Â ÒËÚÂÚ
                            movement and, in particu-      ËÏ. å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡
                            lar, the mechanisms which
                            determine the direction of
                                                                  ÇÇÖÑÖçàÖ. åéãÖäìãõ à åéêîéãéÉàü
                            pseudopod extension in
                            response to external sig-                Изучение молекулярных механизмов морфоге-
                                                                  неза – одна из основных, может быть, главная про-
                            nals. The roles of two                блема биологии ближайшего будущего. Мы уже
                            cytoskeletal      systems             много знаем о генетических механизмах, определя-
                            (actin microfilaments and             ющих природу химических компонентов клетки, и
                                                                  в особенности структуру белков. Вместе с тем, мы
                            microtubules) in the stabi-           еще плохо понимаем, как особенности этих хими-
                            lization of movement ori-             ческих компонентов определяют сложнейшую
                            entation are discussed.               структуру всего многоклеточного организма. Мы не
                                                                  знаем, как изменения генов и кодируемых ими бел-
                            Importance of these mech-             ков реализуются в изменениях формы и размеще-
                            anisms of cellular move-              ния клеток, тканей и органов. Приведу только один
                            ments in the formation of             наглядный пример: мы хорошо понимаем, как ДНК
                                                                  родителей определяет структуру любого белка их
                            tissue and organ struc-               ребенка, но совершенно ничего не знаем о том, как
                            tures     of   multicellular          эта ДНК определяет морфологические черты лица
                            organisms is stressed.                их ребенка, то есть форму его подбородка, губ, носа,
                                                                  ушей и т.д. А ведь о сходстве детей с родителями мы
                                                                  обычно судим именно по этим чертам.
                            Ç Òڇڸ    ‡ÒÒÏÓÚ ÂÌ˚                   Одним из наиболее перспективных подходов к
                            ÏÂı‡ÌËÁÏ˚    ÍÎÂÚÓ˜Ì˚ı                этой проблеме является исследование механизмов
                                                                  изменений цитоскелета. В предыдущей статье1 я
                            ‰‚ËÊÂÌËÈ Ë ‚ ÓÒÓ·ÂÌÌÓÒ-
                                                                  рассказал о том, что цитоскелет – это основа по-
                            ÚË ÏÂı‡ÌËÁÏ˚ Ó ËÂÌÚË-                 движной архитектуры клеток животных и растений.
                             Ó‚ÍË Ó· ‡ÁÓ‚‡ÌËfl ÔÒ‚-               Напомню, что цитоскелет образован тремя систе-
                                                                  мами белковых нитей: микрофиламентами, состоя-
                            ‰ÓÔÓ‰ËÈ ‚̯ÌËÏË ÒË„-
                                                                  щими из белка актина, микротрубочками, состоя-
                            ̇·ÏË, ‡ Ú‡ÍÊ Óθ                   щими из белка тубулина и промежуточными
                            ‰‚Ûı ˆËÚÓÒÍÂÎÂÚÌ˚ı ÒËÒ-               филаментами, состоящими из разных белков. Эти
                                                                  нити собираются (полимеризуются) из соответству-
                            ÚÂÏ, ‡ÍÚËÌÓ‚˚ı ÏËÍ Ó-
                                                                  ющих белковых молекул и вновь разбираются на от-
                            ÙË·ÏÂÌÚÓ‚ Ë ÏËÍ ÓÚ Û-                дельные молекулы. Благодаря такой полимериза-
                            ·Ó˜ÂÍ, ‚ ÒÚ‡·ËÎËÁ‡ˆËË                 ции–деполимеризации цитоскелет непрерывно
    © LJÒËθ‚ û.å., 1996




                                                                  перестраивается, и эти перестройки являются осно-
                            Ó ËÂÌÚË Ó‚ÍË Ë ÔÓ‰‰Â -
                                                                  вой изменений формы и движений клеток, лежа-
                            ʇÌËË Ì‡Ô ‡‚ÎÂÌËfl ‰‚Ë-                щих в основе образования клеток и органов.
                            ÊÂÌËÈ. èÓ͇Á‡Ì‡ ÓÔ Â‰Â-                  В этой статье мы разберем некоторые простей-
                            Îfl˛˘‡fl Óθ Ú‡ÍËı ÏÂı‡-                шие цитоскелетные механизмы таких движений и
                                                                  изменений формы. Конкретнее говоря, попытаюсь
                            ÌËÁÏÓ‚ ‚ Ó „‡ÌËÁ‡ˆËË
                            ÍÎÂÚÓÍ Ë Ú͇ÌÂÈ ÏÌÓ„Ó-                1
                                                                    См. “Соросовский Образовательный Журнал”, № 2,
                            ÍÎÂÚÓ˜ÌÓ„Ó Ó „‡ÌËÁχ.                 1996 г.



4                                                                    ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
объяснить, как клетка (или часть ее) ползет по твер-   центрация активирующих веществ с разных сторон
дой поверхности (так называемой подложке) и при        клетки различна, то на одном конце клетки будет
том ползет в определенном направлении, проявляя        образовываться и прикрепляться к подложке боль-
зачастую поразительную способность выбирать оп-        ше псевдоподий, чем на другом. Контакт с другой
ределенную ориентировку и, когда надо, соблюдать       клеткой может действовать противоположно хи-
эту ориентировку, а когда надо – менять ее. На при-    миотаксису: если какой-то участок активного края
мере двух разных клеточных типов фибробластов и        фибробласта касается поверхности другой клетки,
нейронов попытаюсь показать, как разумные дви-         то образование псевдоподий в этом месте края не-
жения отдельных клеток приводят к образованию          медленно прекращается; происходит “контактное
сложных многоклеточных структур.                       торможение” или “контактный паралич” этого уча-
                                                       стка (рис. 1).
îàÅêéÅãÄëíõ èéãáìí ä ñÖãà
    Все клетки ползут, образуя на переднем крае ди-
намичные выросты – псевдоподии разной формы.
В псевдоподиях под мембраной клетки полимеризу-
ются актиновые микрофиламенты, которые связы-
ваются с миозином и другими белками (см. преды-
дущую статью). Псевдоподии могут прикрепляться
к поверхности подложки и, сокращаясь, тянут всю
клетку вперед. Таков основной механизм движения.
Очевидно, направление движения определяется
тем, на каком краю клетки будут образовываться,          а                              б
прикрепляться и сокращаться псевдоподии.
    Что же определяет места образования псевдопо-
дий? Для того чтобы лучше это понять, рассмотрим
движения одной из клеток, чаще всего используе-
мых в экспериментах, клеток соединительной тка-
ни – фибробластов. Фибробласты, помещенные в
культуру и распластавшиеся на плоской подложке,
например, на дне чашки Петри со средой, приобре-
тают форму веера или веретена. Они поляризованы,
то есть образуют псевдоподии лишь на одном или
двух полюсах. Эти клетки могут ползти направлен-         в                               г
но в сторону одного из активных полюсов. Их боко-
вые края неактивны.
    Благодаря динамике цитоскелета фибробласт                Рис. 1. Контактный паралич мышиного фиброб-
может менять форму и направление движений в от-              ласта при встрече с другой клеткой. В кадрах мик-
вет на изменения окружающего внешнего мира: на-              росъемки обведены контуры клеток. Время между
                                                             последовательными кадрами составляет 20 мин.
пример, в ответ на изменения питательной среды и             а – фибробласт, ползущий направо: широкие
поверхности подложки. Ориентировка этих клеток               псевдоподии на правом полюсе; б – правый ак-
начинается с того, что клетка получает направлен-            тивный полюс вступил в контакт с краем другой
ный сигнал из внешнего мира. Например, помес-                клетки; в – г – образование псевдоподий вдоль
                                                             контакта почти прекратилось. Клетка сменила ме-
тим возле одного из краев клетки капилляр и будем            ста образования псевдоподий, вытягивается и
из него выпускать в среду раствор веществ, кото-             движется параллельно краю другой клетки.
рый, попадая на поверхность клетки, вызывает в
этом месте поверхности образование псевдоподий;
в результате клетка начинает направленно двигать-          Механизмы такого паралича еще неясны, но его
ся в сторону сигнала. Это явление называется поло-     биологический смысл очевиден: благодаря парали-
жительным химиотаксисом. Веществами, вызыва-           чу клетка не заползает на другую клетку, но, коснув-
ющими такой химиотаксис у фибробластов,                шись ее, поворачивает туда, где есть свободная по-
являются некоторые специальные белки, так назы-        верхность подложки. Двигаясь, клетки соблюдают
ваемые факторы роста. Химиотаксические вещества        взаимную вежливость. Третий внешний фактор, ме-
связываются со специальными белками – рецепто-         няющий распределение псевдоподий – различная
рами в наружной мембране клетки и активизируют         адгезивность (“липкость”) разных участков поверх-
их. Такая активация через какие-то еще неясные         ности подложки. Например, посадим клетку не на
промежуточные химические реакции вызывает по-          широкое плоское стекло, а на узкий стеклянный
лимеризацию актина под соответствующим местом          цилиндр, диаметр которого (30 микрометров) лишь
мембраны и выпячивание псевдоподии. Если кон-          немногим больше диаметра самой клетки. Тогда


ÇÄëàãúÖÇ û.å. äãÖíäÄ äÄä ÄêïàíÖäíìêçéÖ óìÑé                                                                      5
фибробласт начинает выбрасывать псевдоподии во          прикрепления к подложке прочны, микрофиламен-
    все стороны. Но лишь те псевдоподии, которые вы-        ты, пытаясь сократиться, будут тянуть в свою сторо-
    брошены вдоль, а не поперек цилиндра, смогут кос-       ну весь кортекс. В тех местах, где прикрепленных
    нуться свободной поверхности стекла и прикре-           псевдоподий больше, натяжение сильнее, и кортекс
    питься к ней; псевдоподии, выброшенные поперек          будет вытягиваться вдоль этого направления натя-
    стекла, такой подложки не найдут, и клетка втянет       жений. При этом актиновые микрофиламенты в
    их обратно (рис. 2, 3).                                 кортексе будут, натягиваясь, ориентироваться вдоль
                                                            этого направления. Каким-то неизвестным еще об-
       Таким образом, во всех случаях под влиянием
                                                            разом ориентировка кортекса определяет места вы-
    внешних факторов у клетки возникает первичная
                                                            брасывания новых псевдоподий: клетка перестает
    поляризация образования и прикрепления псевдо-
                                                            их выбрасывать на тех боковых краях, которые па-
    подий. Однако такая поляризация часто очень неус-
                                                            раллельны натяжениям. Эта роль натяжения под-
    тойчива. Чтобы направленно двигаться, клетка
                                                            тверждена прямыми опытами: если один из участ-
    должна запомнить и стабилизировать эффект
                                                            ков поверхности клетки растянуть механически
    внешних факторов. Эта стабилизация выражается в
                                                            микроиглой, то образование псевдоподий в таком
    том, что клетка совсем перестает выбрасывать псев-
                                                            участке прекращается. Стабилизация натяжением
    доподии в тех направлениях, где их прикрепление
                                                            резко усиливает небольшие количественные разли-
    было менее удачно, и начинает их выбрасывать бо-
                                                            чия в числе прикрепленных псевдоподий в разных
    лее эффективно только в наиболее удачных направ-
                                                            участках поверхности: происходит качественное
    лениях, например, вдоль цилиндра или ближе к ис-
                                                            разделение поверхности на стабильные и активные
    точнику химиотаксического вещества (рис. 3а).
                                                            участки. У фибробластов для стабилизации формы,
        Такая стабильная поляризация достигается бла-       кроме актинового кортекса, необходима еще и вто-
    годаря перестройкам архитектуры двух цитоскелет-        рая цитоскелетная система, микротрубочки. Если
    ных систем – актина и микротрубочек. Первой ее          разрушить микротрубочки колхицином или похо-
    стадией является реорганизация актинового кортек-       жим веществом (см. предыдущую статью), то фиб-
    са, то есть сети микрофиламентов, расположенной         робласт теряет вытянутую форму, а его актиновые
    под мембраной всего тела клетки. Как мы знаем,          микрофиламенты в кортексе теряют общую ориен-
    прикрепленные псевдоподии содержат актиновые            тировку. Сосредоточить свои псевдоподии на одном
    микрофиламенты, соединенные одним концом с              участке края такая клетка не может, даже если име-
    подложкой через мембрану, а другим концом с мик-        ется ориентирующий внешний фактор, например,
    рофиламентами в кортексе тела клетки. Там, где          цилиндрическая подложка или химиотаксический




       Рис. 2. Фибробласт, начавший вытягиваться на цилиндрической подложке. Псевдоподии прикрепляются вдоль
       оси подложки, но не поперек ее. Сканирующий электронный микроскоп.



6                                                              ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
10 µ
                             а
                                                                 10 µ                  б




                                               7′

                                                                                                         68′



                                               9′
                                                                                                         30′




                                               19′
                                                                                                         12′



                                               27′
                                                                                                         66′



                                               8′

                                                                                                         18′



                                               12′




   Рис. 3. Движения фибробласта, посаженного на узкую плоскую полоску стекла (параллельные линии). Сверху
   вниз контуры одной клетки, сделанные по последовательным кадрам киносъемки; цифры рядом со стрелками –
   время между кадрами. а – контроль. Клетка постепенно вытягивается вдоль полоски. Образование псевдоподий
   сосредоточивается на полюсах и прекращается на боковых краях клетки, параллельных длине полоски (стабили-
   зация боковых краев); б – клетка в среде с колцемидом, разрушившим микротрубочки. Клетка несколько вытяну-
   лась, но полной стабилизации боковых краев не происходит: псевдоподии образуются и вдоль и поперек длины
   полоски.


градиент (рис. 3б). Клетка без микротрубочек все          направление движений гораздо чаще, чем фиброб-
время выбрасывает псевдоподии по всему краю во            ласт. Можно сравнить актиновую стабилизацию с
всех возможных направлениях. Разумеется, такая            кратковременной памятью, которая запоминает
клетка теряет способность направленно двигаться,          эффекты сигналов лишь на небольшое время, а ми-
но совершает лишь бессмысленный “бег на месте”.           кротрубочковую стабилизацию фибробласта – с
   Таким образом, у фибробластов имеется две сте-         долговременной памятью. Остается нерешенным
пени цитоскелетной стабилизации формы и движе-            еще вопрос о механизмах стабилизации: каким об-
ний – актиновая и микротрубочковая. В отличие от          разом реорганизация цитоскелета определяет места
фибробластов, у некоторых клеток, слабо вытяну-           выбрасывания псевдоподий? Вероятнее всего, ак-
тых, например, у лейкоцитов, разрушение микро-            тиновые нити и микротрубочки транспортируют на
трубочек почти не меняет форму и движения; оче-           периферию, к определенным клеткам какие-то ор-
видно, у таких клеток “работает” одна актиновая           ганеллы, индуцирующие в этих местах полимериза-
стабилизация. Лейкоцит меняет ориентировку и              цию новых микрофиламентов и, следовательно,


ÇÄëàãúÖÇ û.å. äãÖíäÄ äÄä ÄêïàíÖäíìêçéÖ óìÑé                                                                     7
выбрасывание псевдоподий. Действительно, стаби-        мозга, у человека могут превышать 1 м. Рост отрост-
    лизацию мест образования псевдоподий можно на-         ков очень точно направлен: они соединяются толь-
    рушить у фибробластов агентами, нарушающими            ко с нужными клетками-мишенями, то есть с опре-
    транспорт органелл, в особенности инъекцией анти-      деленной группой нейронов или определенной
    тел к кинезину – известному нам мотору, везущему       мышцей. Важность такой точности соединений для
    органеллы к микротрубочкам. Какие именно орга-         правильной работы мозга очевидна: например, как
    неллы регулируют образование псевдоподий, остает-      бы мы двигали рукой, если бы отростки двигатель-
    ся пока неясным.                                       ных нейронов, заведующих движениями мизинца,
        Движения фибробластов, как и движения других       соединялись не с мышцами мизинца, а с мышцами
    клеток, удобнее изучать в культуре, чем в организме,   большого пальца или наоборот?
    хотя бы потому, что только в культуре и подложка           Как же осуществляется такой точно ориентиро-
    (дно чашки Петри), и среда прозрачны, и все детали     ванный рост отростков нейронов? Разберем кратко,
    движений можно наблюдать под микроскопом.              как происходит такая ориентировка у эмбриональ-
    Вместе с тем, закономерности, открытые в культу-       ных нервных клеток, помещенных в культуру. Рост
    ре, имеют общий характер и относятся и к движени-      отростков нервных клеток внешне совершенно от-
    ям клеток в организме. Выберем только один при-        личен от движений фибробластов: у нейрона ползет
    мер – заживление раны: кожа ранена каким-то            по подложке лишь маленький уплощенный фраг-
    орудием, из поврежденных сосудов выходит кровь,        мент клетки – так называемый конус роста и при-
    которая свертывается в ране. При свертывании кро-      крепляющий на переднем крае псевдоподии (рис. 4).
    ви образуется сгусток фибриновых нитей, и из раз-      Конус роста очень похож на уменьшенную копию
    рушающихся клеток крови – тромбоцитов выделя-          безъядерного фибробласта. Задний конец конуса
    ется тромбоцитарный фактор роста. По всей              роста соединен с телом клетки цилиндрическим
    вероятности, градиент этого фактора в среде при-       стволом, богатым микротрубочками. Ни ствол, ни
    влекает в рану фибробласты из окружающей соеди-        тело клетки псевдоподий не образуют. Двигаясь
    нительной ткани. Нити фибрина, подобно цилинд-         вперед, конус роста тянет за собой ствол, который
    рическим подложкам в культуре, могут служить           при этом удлиняется. Иногда сравнивают тело ней-
    “рельсами”, направляющими дополнительно дви-           рона с хозяином, который на удлиняющемся повод-
    жение фиброблаастов в рану. Наконец, клетки, иду-      ке (стволе) держит бегущую собачку (конус роста).
    щие в рану с разных сторон, благодаря контактному
    параличу, ориентируются упорядоченно друг отно-           Направление движения конуса роста определя-
    сительно друга. Фибробласты, направленно мигри-        ется внешними сигналами, меняющими образова-
    ровавшие в рану, начинают там размножаться и де-       ние и прикрепление псевдоподий: а) градиентами
    лать коллагеновые волокна. Образуется рубец, и         концентрации специальных белков, растворенных
    рана заживает. Заживление раны – лишь один из ва-      в среде (так называемого фактора роста нервов) и
    риантов процессов, при которых направленные миг-       б) формой подложки: в частности, конус роста хо-
    рации фибробластов и близких к ним клеток, напри-      рошо ползет вдоль разных цилиндрических поверх-
    мер, костных клеток, остеобластов или хрящевых         ностей. Например, одним из факторов стабилиза-
    клеток, хондробластов, восстанавливают повреж-         ции эффекта внешних агентов является натяжение
    денную структуру соответствующих тканей нашего         кортекса: микроигла, натягивающая отросток в сто-
    организма или меняют эту структуру в ответ на дей-     рону, может соответственно изменить направление
    ствие внешних факторов.                                его роста. Для ориентировки отростка необходима и
                                                           система микротрубочек: при разрушении этой сис-
    éíêéëíéä çÖâêéçÄ èéãáÖí ä ñÖãà                         темы рост отростка прекращается, и сам отросток
                                                           сокращается. Таким образом, несмотря на внешние
       Рассмотрим теперь движения клеток, которые          различия, механизмы движений фибробластов и
    составляют основу самой сложной из существую-          роста нервных отростков сходны по общим механиз-
    щих в природе организаций – нашего мозга, нашей        мам: они включают создание внешними факторами
    нервной системы. Особая, наверное, главная черта       неравномерности прикрепления и стабилизацию
    этой организации – система сложнейших индиви-          этих различий двумя цитоскелетными системами.
    дуальных связей между клетками, по которым через
    особые межклеточные контакты, синапсы, сигнал             Особенность нейронов заключается в чрезвы-
    передается от одной нервной клетки (нейрона) к         чайно длительной и стойкой микротрубочковой
    другому нейрону или мышечной клетке. Для такого        стабилизации отростков, в длительной “долговре-
    направленного проведения сигналов нейроны в            менной памяти”. Приобретя определенную ориен-
    процессе эмбрионального развития образуют отро-        тировку, отростки сохраняют ее неопределенно
    стки, которые растут к клетке-мишени. Иногда           долго, часто до конца жизни организма. Именно та-
    длина таких отростков может быть очень большой:        кая модификация цитоскелетного механизма ста-
    отростки нейронов коры головного мозга, соединя-       билизации отростков обеспечивает правильную ор-
    ющиеся с двигательными нейронами спинного              ганизацию нервной системы.


8                                                             ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
клетку, независимо от внешних сигналов. Напри-
                                                         мер, нормальный фибробласт не синтезирует тром-
                                                         боцитарный фактор роста; ген, кодирующий этот
                                                         белок, “молчит” в нормальном фибробласте. Одна-
                                                         ко, если этот ген мутирует и активируется, то фиб-
                                                         робласт начинает синтезировать и выделять такой
                                                         фактор. Сев на рецепторы мембраны, этот белок бу-
                                                         дет стимулировать ту же клетку, которая его вырабо-
                                                         тала: эта клетка начнет двигаться независимо от
                                                         внешних сигналов, активируя саму себя (рис. 5).



 а                                                                          ТФР        Нормальный
                                                           Тромбоциты
                                                                                       фибробласт




                                                                          ТФР

                                                                                       Трансформированный
                                                                                       фибробласт




                                                            Рис. 5. Вверху – нормальный фибробласт дви-
 б                                                          жется по направлению к внешнему сигналу – гра-
                                                            диенту тромбоцитарного фактора роста /ТФР/,
                                                            выделяемого на расстоянии тромбоцитами. Вни-
                                                            зу – опухолевый фибробласт, движущийся беспо-
     Рис. 4. Контуры отростка нейрона, растущего            рядочно под влиянием ТФР, выделяемого им са-
     вправо. Справа – конус роста, слева – ствол от-        мим. Это один из многих вариантов стимуляции
     ростка, тело нейрона – на левом конце ствола           опухолевой клетки собственными “внутренними”
     вне рисунка. Время между кадрами а и б – 5 мин.        сигналами.
     За это время на активном краю конуса роста вытя-
     нулось и сократилось несколько псевдоподий,
     тогда как контур стабильного края ствола не изме-      Сейчас мы знаем, что опухолевые клетки – это
     нился. На стекле вне клетки – неподвижные точки;
     видно, как сдвинулся вправо конус роста за время    клетки с мутациями генов, ответственных за прове-
     между кадрами.                                      дение сигналов. “Самостимуляция” клеточных
                                                         движений в результате некоторых из таких мутаций,
                                                         по-видимому, является основой самых опасных для
ãéÜçõÖ ÇçìíêÖççàÖ ëàÉçÄãõ                                организма свойств некоторых опухолевых клеток:
ÄäíàÇàêìûí çÖêÖÉìãàêìÖåõÖ ÑÇàÜÖçàü
                                                         их способности к инвазии и метастазированию, то
éèìïéãÖÇõï äãÖíéä
                                                         есть способности выйти из той ткани, где возникли,
   Нормальная система регуляции движений нор-            и двигаться в другие ткани и даже в другие органы,
мальных клеток может портиться в результате мута-        давая там начало новым колониям, разрушающим
ций, и эта порча может иметь самые серьезные по-         нормальные структуры организма.
следствия для всего организма. Как мы видели,
движения нормальных клеток, таких как фибробла-          áÄäãûóÖçàÖ. äãÖíäÄ èêéÅìÖí, éñÖçàÇÄÖí,
сты, вызываются и регулируются внешними сигна-           áÄèéåàçÄÖí
лами, например, факторами роста, выделяемыми
другими клетками, такими как тромбоциты. Эти                Подведем теперь некоторые итоги. Выбрасывая
приходящие извне молекулы активируют рецепто-            псевдоподии в ответ на внешние сигналы, клетка
ры мембраны фибробласта и через ряд промежуточ-          пробует и оценивает свое окружение. Где можно
ных стадий реакций вызывают образование псевдо-          лучше прикрепить эти псевдоподии? Куда можно и
подий. В некоторых клетках могут произойти               нужно ползти? Неравномерное образование, при-
мутации генов, кодирующих белки, участвующие в           крепление и натяжение псевдоподий в разных
такой системе проведения сигналов. В результате          участках поверхности клетки вызывает перестрой-
синтезируются белки, постоянно активирующие              ку всего цитоскелета, сперва актинового, потом


ÇÄëàãúÖÇ û.å. äãÖíäÄ äÄä ÄêïàíÖäíìêçéÖ óìÑé                                                                    9
микротрубочкового. Реорганизуя цитоскелет, клет-    дельных клеток приводит к тому, что эти клетки пе-
     ки запоминают результаты предыдущих проб, пре-      рестают разумно реагировать на внешние сигналы,
     дыдущих псевдоподиальных реакций и стабилизи-       но активируют сами себя. Такая злокачественная
     руют направления будущих реакций.                   трансформация клеток может вызывать гибель все-
        Таким образом, клетка все время исследует ок-    го организма. Мы не знаем еще точной природы
     ружающий ее мир и меняет свое поведение в зави-     всех нормальных и патологических вариантов этих
     симости от результатов этого исследования. Один и   механизмов морфогенеза, но можно надеяться, что
     тот же механизм в разных его модификациях обес-     мы уже начали понимать, где искать их единые
     печивает и движение фибробластов при заживлении     принципы.
     раны, и движения отростков нейронов при образо-
     вании нервной системы и, вероятно, множество        êÖäéåÖçÑìÖåÄü ãàíÖêÄíìêÄ
     других процессов морфогенеза, приводящих к фор-        1. Ченцов Ю.С. Общая цитология (Введение в биоло-
     мированию нашего многоклеточного организма.            гию клетки). М.: Изд-во МГУ, 1995. 3-е изд.
     При этом поведение каждой отдельной клетки со-         2. Албертс А., Брей Д., Льюис Р., Рафф М., Робертс К.,
     циально разумно: оно согласовано с поведением ок-      Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки в 3 т. пер.
     ружающих ее клеток через сигналы, поступающие          с англ. М.: Мир, 1994.
     от клетки к клетке через жидкую среду или прямой
     клеточный контакт. Каждый тип клеток реагирует                               * * *
     на сигналы по-своему. Эти различия определяются        Юрий Маркович Васильев, доктор медицинских
     химическими различиями белковых молекул реаги-      наук, профессор, член-корреспондент РАН, про-
     рующих систем, например, рецепторов, цитоскеле-     фессор кафедры вирусологии МГУ, зав. лаборато-
     та и т.д. Разумеется, эти различия определяются     рией Всероссийского онкологического научного
     особенностями кодирующих белки генов. Порча         центра. Автор 180 научных работ, включая 6 моно-
     механизмов оценки социального окружения от-         графий на русском и английском языках.




10                                                          ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996

More Related Content

What's hot

морфологи
морфологиморфологи
морфологиkoleso123
 
анатомия и физиология человека. ткани, определение, классификация
анатомия и физиология человека. ткани, определение, классификацияанатомия и физиология человека. ткани, определение, классификация
анатомия и физиология человека. ткани, определение, классификацияСлава Коломак
 
эукариотическая клетка
эукариотическая клеткаэукариотическая клетка
эукариотическая клеткаMila Islamowa
 
кт.строение клетки
кт.строение клеткикт.строение клетки
кт.строение клеткиWurgeren
 
Кассан А. Анатомия человека. Иллюстрированный атлас
Кассан А. Анатомия человека. Иллюстрированный атласКассан А. Анатомия человека. Иллюстрированный атлас
Кассан А. Анатомия человека. Иллюстрированный атласIgor Nitsovych
 

What's hot (20)

lesson 3
lesson 3lesson 3
lesson 3
 
lesson 2
lesson 2lesson 2
lesson 2
 
lesson 5
lesson 5lesson 5
lesson 5
 
lesson 13
lesson 13lesson 13
lesson 13
 
морфологи
морфологиморфологи
морфологи
 
анатомия и физиология человека. ткани, определение, классификация
анатомия и физиология человека. ткани, определение, классификацияанатомия и физиология человека. ткани, определение, классификация
анатомия и физиология человека. ткани, определение, классификация
 
анатомия человека
анатомия человекаанатомия человека
анатомия человека
 
lesson 14
lesson 14lesson 14
lesson 14
 
lesson 10
lesson 10lesson 10
lesson 10
 
lesson 9
lesson 9lesson 9
lesson 9
 
657
657657
657
 
lesson 12
lesson 12lesson 12
lesson 12
 
топография силовых напряжений в костях при травме. атлас (под ред. в.н.крюков...
топография силовых напряжений в костях при травме. атлас (под ред. в.н.крюков...топография силовых напряжений в костях при травме. атлас (под ред. в.н.крюков...
топография силовых напряжений в костях при травме. атлас (под ред. в.н.крюков...
 
эукариотическая клетка
эукариотическая клеткаэукариотическая клетка
эукариотическая клетка
 
кт.строение клетки
кт.строение клеткикт.строение клетки
кт.строение клетки
 
Кассан А. Анатомия человека. Иллюстрированный атлас
Кассан А. Анатомия человека. Иллюстрированный атласКассан А. Анатомия человека. Иллюстрированный атлас
Кассан А. Анатомия человека. Иллюстрированный атлас
 
583
583583
583
 
643
643643
643
 
640
640640
640
 
ткани
тканиткани
ткани
 

Viewers also liked

Структуры-призраки
Структуры-призракиСтруктуры-призраки
Структуры-призракиSergey Semenov
 
G2Comix oversea's activities
G2Comix oversea's activitiesG2Comix oversea's activities
G2Comix oversea's activitiesTokyo Cybercomix
 
Etec 442 Timeline
Etec 442 TimelineEtec 442 Timeline
Etec 442 Timelineguestcb3a5d
 
Dimitri Shostakovich
Dimitri ShostakovichDimitri Shostakovich
Dimitri Shostakovichallisongraff
 
Kata & Fakta Mlm
Kata & Fakta MlmKata & Fakta Mlm
Kata & Fakta Mlmguestaca0a0
 
Kennedy Center - Partners in Education Presentation
Kennedy Center - Partners in Education PresentationKennedy Center - Partners in Education Presentation
Kennedy Center - Partners in Education Presentationallisongraff
 

Viewers also liked (9)

Структуры-призраки
Структуры-призракиСтруктуры-призраки
Структуры-призраки
 
G2Comix oversea's activities
G2Comix oversea's activitiesG2Comix oversea's activities
G2Comix oversea's activities
 
By Laws
By LawsBy Laws
By Laws
 
A Bears Den
A Bears DenA Bears Den
A Bears Den
 
Pagetest
PagetestPagetest
Pagetest
 
Etec 442 Timeline
Etec 442 TimelineEtec 442 Timeline
Etec 442 Timeline
 
Dimitri Shostakovich
Dimitri ShostakovichDimitri Shostakovich
Dimitri Shostakovich
 
Kata & Fakta Mlm
Kata & Fakta MlmKata & Fakta Mlm
Kata & Fakta Mlm
 
Kennedy Center - Partners in Education Presentation
Kennedy Center - Partners in Education PresentationKennedy Center - Partners in Education Presentation
Kennedy Center - Partners in Education Presentation
 

Similar to Клетка как чудо

презентация семчагова о.н. редак
презентация семчагова о.н.   редакпрезентация семчагова о.н.   редак
презентация семчагова о.н. редакsemchagova
 
Презентация на тему: Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз
Презентация на тему: Жизненный цикл клетки. Митоз. АмитозПрезентация на тему: Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз
Презентация на тему: Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз2berkas
 
Цитология
ЦитологияЦитология
Цитологияolik5sch
 
Презентация на тему: Основы строения клетки
Презентация на тему: Основы строения клеткиПрезентация на тему: Основы строения клетки
Презентация на тему: Основы строения клетки2berkas
 
Деление клетки
Деление клеткиДеление клетки
Деление клеткиAlex Sarsenova
 
Cell report
Cell reportCell report
Cell reportcpsim
 
функции белков
функции белковфункции белков
функции белковhimioteacher
 
клетка история изучения. клеточная теория
клетка история изучения. клеточная теорияклетка история изучения. клеточная теория
клетка история изучения. клеточная теорияkoleso123
 
физиологи
физиологифизиологи
физиологиkoleso123
 
обобщ строение клетки
обобщ строение клеткиобобщ строение клетки
обобщ строение клеткиbiochim
 
Строение эукариотической клетки
Строение эукариотической клеткиСтроение эукариотической клетки
Строение эукариотической клеткиolik5sch
 

Similar to Клетка как чудо (20)

презентация семчагова о.н. редак
презентация семчагова о.н.   редакпрезентация семчагова о.н.   редак
презентация семчагова о.н. редак
 
Презентация на тему: Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз
Презентация на тему: Жизненный цикл клетки. Митоз. АмитозПрезентация на тему: Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз
Презентация на тему: Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз
 
Цитология
ЦитологияЦитология
Цитология
 
Презентация на тему: Основы строения клетки
Презентация на тему: Основы строения клеткиПрезентация на тему: Основы строения клетки
Презентация на тему: Основы строения клетки
 
Деление клетки
Деление клеткиДеление клетки
Деление клетки
 
Cell report
Cell reportCell report
Cell report
 
функции белков
функции белковфункции белков
функции белков
 
клетка история изучения. клеточная теория
клетка история изучения. клеточная теорияклетка история изучения. клеточная теория
клетка история изучения. клеточная теория
 
479
479479
479
 
479
479479
479
 
470
470470
470
 
жизненный цикл клетки
жизненный цикл клеткижизненный цикл клетки
жизненный цикл клетки
 
физиологи
физиологифизиологи
физиологи
 
451
451451
451
 
451
451451
451
 
704
704704
704
 
546
546546
546
 
растительная клетка
растительная клеткарастительная клетка
растительная клетка
 
обобщ строение клетки
обобщ строение клеткиобобщ строение клетки
обобщ строение клетки
 
Строение эукариотической клетки
Строение эукариотической клеткиСтроение эукариотической клетки
Строение эукариотической клетки
 

Клетка как чудо

  • 1. THE CELL AS A MIRACLE КЛЕТКА КАК АРХИТЕКТУРНОЕ OF ARCHITECTURE II. Cytoskeleton, able ЧУДО to sense and memorize II. Цитоскелет, способный Yu. M. VASIL’EV чувствовать и помнить The paper examines basic û. å. ÇÄëàãúÖÇ mechanisms of cellular åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚Â ÒËÚÂÚ movement and, in particu- ËÏ. å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡ lar, the mechanisms which determine the direction of ÇÇÖÑÖçàÖ. åéãÖäìãõ à åéêîéãéÉàü pseudopod extension in response to external sig- Изучение молекулярных механизмов морфоге- неза – одна из основных, может быть, главная про- nals. The roles of two блема биологии ближайшего будущего. Мы уже cytoskeletal systems много знаем о генетических механизмах, определя- (actin microfilaments and ющих природу химических компонентов клетки, и в особенности структуру белков. Вместе с тем, мы microtubules) in the stabi- еще плохо понимаем, как особенности этих хими- lization of movement ori- ческих компонентов определяют сложнейшую entation are discussed. структуру всего многоклеточного организма. Мы не знаем, как изменения генов и кодируемых ими бел- Importance of these mech- ков реализуются в изменениях формы и размеще- anisms of cellular move- ния клеток, тканей и органов. Приведу только один ments in the formation of наглядный пример: мы хорошо понимаем, как ДНК родителей определяет структуру любого белка их tissue and organ struc- ребенка, но совершенно ничего не знаем о том, как tures of multicellular эта ДНК определяет морфологические черты лица organisms is stressed. их ребенка, то есть форму его подбородка, губ, носа, ушей и т.д. А ведь о сходстве детей с родителями мы обычно судим именно по этим чертам. Ç Òڇڸ ‡ÒÒÏÓÚ ÂÌ˚ Одним из наиболее перспективных подходов к ÏÂı‡ÌËÁÏ˚ ÍÎÂÚÓ˜Ì˚ı этой проблеме является исследование механизмов изменений цитоскелета. В предыдущей статье1 я ‰‚ËÊÂÌËÈ Ë ‚ ÓÒÓ·ÂÌÌÓÒ- рассказал о том, что цитоскелет – это основа по- ÚË ÏÂı‡ÌËÁÏ˚ Ó ËÂÌÚË- движной архитектуры клеток животных и растений. Ó‚ÍË Ó· ‡ÁÓ‚‡ÌËfl ÔÒ‚- Напомню, что цитоскелет образован тремя систе- мами белковых нитей: микрофиламентами, состоя- ‰ÓÔÓ‰ËÈ ‚̯ÌËÏË ÒË„- щими из белка актина, микротрубочками, состоя- ̇·ÏË, ‡ Ú‡ÍÊ Óθ щими из белка тубулина и промежуточными ‰‚Ûı ˆËÚÓÒÍÂÎÂÚÌ˚ı ÒËÒ- филаментами, состоящими из разных белков. Эти нити собираются (полимеризуются) из соответству- ÚÂÏ, ‡ÍÚËÌÓ‚˚ı ÏËÍ Ó- ющих белковых молекул и вновь разбираются на от- ÙË·ÏÂÌÚÓ‚ Ë ÏËÍ ÓÚ Û- дельные молекулы. Благодаря такой полимериза- ·Ó˜ÂÍ, ‚ ÒÚ‡·ËÎËÁ‡ˆËË ции–деполимеризации цитоскелет непрерывно © LJÒËθ‚ û.å., 1996 перестраивается, и эти перестройки являются осно- Ó ËÂÌÚË Ó‚ÍË Ë ÔÓ‰‰Â - вой изменений формы и движений клеток, лежа- ʇÌËË Ì‡Ô ‡‚ÎÂÌËfl ‰‚Ë- щих в основе образования клеток и органов. ÊÂÌËÈ. èÓ͇Á‡Ì‡ ÓÔ Â‰Â- В этой статье мы разберем некоторые простей- Îfl˛˘‡fl Óθ Ú‡ÍËı ÏÂı‡- шие цитоскелетные механизмы таких движений и изменений формы. Конкретнее говоря, попытаюсь ÌËÁÏÓ‚ ‚ Ó „‡ÌËÁ‡ˆËË ÍÎÂÚÓÍ Ë Ú͇ÌÂÈ ÏÌÓ„Ó- 1 См. “Соросовский Образовательный Журнал”, № 2, ÍÎÂÚÓ˜ÌÓ„Ó Ó „‡ÌËÁχ. 1996 г. 4 ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
  • 2. объяснить, как клетка (или часть ее) ползет по твер- центрация активирующих веществ с разных сторон дой поверхности (так называемой подложке) и при клетки различна, то на одном конце клетки будет том ползет в определенном направлении, проявляя образовываться и прикрепляться к подложке боль- зачастую поразительную способность выбирать оп- ше псевдоподий, чем на другом. Контакт с другой ределенную ориентировку и, когда надо, соблюдать клеткой может действовать противоположно хи- эту ориентировку, а когда надо – менять ее. На при- миотаксису: если какой-то участок активного края мере двух разных клеточных типов фибробластов и фибробласта касается поверхности другой клетки, нейронов попытаюсь показать, как разумные дви- то образование псевдоподий в этом месте края не- жения отдельных клеток приводят к образованию медленно прекращается; происходит “контактное сложных многоклеточных структур. торможение” или “контактный паралич” этого уча- стка (рис. 1). îàÅêéÅãÄëíõ èéãáìí ä ñÖãà Все клетки ползут, образуя на переднем крае ди- намичные выросты – псевдоподии разной формы. В псевдоподиях под мембраной клетки полимеризу- ются актиновые микрофиламенты, которые связы- ваются с миозином и другими белками (см. преды- дущую статью). Псевдоподии могут прикрепляться к поверхности подложки и, сокращаясь, тянут всю клетку вперед. Таков основной механизм движения. Очевидно, направление движения определяется тем, на каком краю клетки будут образовываться, а б прикрепляться и сокращаться псевдоподии. Что же определяет места образования псевдопо- дий? Для того чтобы лучше это понять, рассмотрим движения одной из клеток, чаще всего используе- мых в экспериментах, клеток соединительной тка- ни – фибробластов. Фибробласты, помещенные в культуру и распластавшиеся на плоской подложке, например, на дне чашки Петри со средой, приобре- тают форму веера или веретена. Они поляризованы, то есть образуют псевдоподии лишь на одном или двух полюсах. Эти клетки могут ползти направлен- в г но в сторону одного из активных полюсов. Их боко- вые края неактивны. Благодаря динамике цитоскелета фибробласт Рис. 1. Контактный паралич мышиного фиброб- может менять форму и направление движений в от- ласта при встрече с другой клеткой. В кадрах мик- вет на изменения окружающего внешнего мира: на- росъемки обведены контуры клеток. Время между последовательными кадрами составляет 20 мин. пример, в ответ на изменения питательной среды и а – фибробласт, ползущий направо: широкие поверхности подложки. Ориентировка этих клеток псевдоподии на правом полюсе; б – правый ак- начинается с того, что клетка получает направлен- тивный полюс вступил в контакт с краем другой ный сигнал из внешнего мира. Например, помес- клетки; в – г – образование псевдоподий вдоль контакта почти прекратилось. Клетка сменила ме- тим возле одного из краев клетки капилляр и будем ста образования псевдоподий, вытягивается и из него выпускать в среду раствор веществ, кото- движется параллельно краю другой клетки. рый, попадая на поверхность клетки, вызывает в этом месте поверхности образование псевдоподий; в результате клетка начинает направленно двигать- Механизмы такого паралича еще неясны, но его ся в сторону сигнала. Это явление называется поло- биологический смысл очевиден: благодаря парали- жительным химиотаксисом. Веществами, вызыва- чу клетка не заползает на другую клетку, но, коснув- ющими такой химиотаксис у фибробластов, шись ее, поворачивает туда, где есть свободная по- являются некоторые специальные белки, так назы- верхность подложки. Двигаясь, клетки соблюдают ваемые факторы роста. Химиотаксические вещества взаимную вежливость. Третий внешний фактор, ме- связываются со специальными белками – рецепто- няющий распределение псевдоподий – различная рами в наружной мембране клетки и активизируют адгезивность (“липкость”) разных участков поверх- их. Такая активация через какие-то еще неясные ности подложки. Например, посадим клетку не на промежуточные химические реакции вызывает по- широкое плоское стекло, а на узкий стеклянный лимеризацию актина под соответствующим местом цилиндр, диаметр которого (30 микрометров) лишь мембраны и выпячивание псевдоподии. Если кон- немногим больше диаметра самой клетки. Тогда ÇÄëàãúÖÇ û.å. äãÖíäÄ äÄä ÄêïàíÖäíìêçéÖ óìÑé 5
  • 3. фибробласт начинает выбрасывать псевдоподии во прикрепления к подложке прочны, микрофиламен- все стороны. Но лишь те псевдоподии, которые вы- ты, пытаясь сократиться, будут тянуть в свою сторо- брошены вдоль, а не поперек цилиндра, смогут кос- ну весь кортекс. В тех местах, где прикрепленных нуться свободной поверхности стекла и прикре- псевдоподий больше, натяжение сильнее, и кортекс питься к ней; псевдоподии, выброшенные поперек будет вытягиваться вдоль этого направления натя- стекла, такой подложки не найдут, и клетка втянет жений. При этом актиновые микрофиламенты в их обратно (рис. 2, 3). кортексе будут, натягиваясь, ориентироваться вдоль этого направления. Каким-то неизвестным еще об- Таким образом, во всех случаях под влиянием разом ориентировка кортекса определяет места вы- внешних факторов у клетки возникает первичная брасывания новых псевдоподий: клетка перестает поляризация образования и прикрепления псевдо- их выбрасывать на тех боковых краях, которые па- подий. Однако такая поляризация часто очень неус- раллельны натяжениям. Эта роль натяжения под- тойчива. Чтобы направленно двигаться, клетка тверждена прямыми опытами: если один из участ- должна запомнить и стабилизировать эффект ков поверхности клетки растянуть механически внешних факторов. Эта стабилизация выражается в микроиглой, то образование псевдоподий в таком том, что клетка совсем перестает выбрасывать псев- участке прекращается. Стабилизация натяжением доподии в тех направлениях, где их прикрепление резко усиливает небольшие количественные разли- было менее удачно, и начинает их выбрасывать бо- чия в числе прикрепленных псевдоподий в разных лее эффективно только в наиболее удачных направ- участках поверхности: происходит качественное лениях, например, вдоль цилиндра или ближе к ис- разделение поверхности на стабильные и активные точнику химиотаксического вещества (рис. 3а). участки. У фибробластов для стабилизации формы, Такая стабильная поляризация достигается бла- кроме актинового кортекса, необходима еще и вто- годаря перестройкам архитектуры двух цитоскелет- рая цитоскелетная система, микротрубочки. Если ных систем – актина и микротрубочек. Первой ее разрушить микротрубочки колхицином или похо- стадией является реорганизация актинового кортек- жим веществом (см. предыдущую статью), то фиб- са, то есть сети микрофиламентов, расположенной робласт теряет вытянутую форму, а его актиновые под мембраной всего тела клетки. Как мы знаем, микрофиламенты в кортексе теряют общую ориен- прикрепленные псевдоподии содержат актиновые тировку. Сосредоточить свои псевдоподии на одном микрофиламенты, соединенные одним концом с участке края такая клетка не может, даже если име- подложкой через мембрану, а другим концом с мик- ется ориентирующий внешний фактор, например, рофиламентами в кортексе тела клетки. Там, где цилиндрическая подложка или химиотаксический Рис. 2. Фибробласт, начавший вытягиваться на цилиндрической подложке. Псевдоподии прикрепляются вдоль оси подложки, но не поперек ее. Сканирующий электронный микроскоп. 6 ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
  • 4. 10 µ а 10 µ б 7′ 68′ 9′ 30′ 19′ 12′ 27′ 66′ 8′ 18′ 12′ Рис. 3. Движения фибробласта, посаженного на узкую плоскую полоску стекла (параллельные линии). Сверху вниз контуры одной клетки, сделанные по последовательным кадрам киносъемки; цифры рядом со стрелками – время между кадрами. а – контроль. Клетка постепенно вытягивается вдоль полоски. Образование псевдоподий сосредоточивается на полюсах и прекращается на боковых краях клетки, параллельных длине полоски (стабили- зация боковых краев); б – клетка в среде с колцемидом, разрушившим микротрубочки. Клетка несколько вытяну- лась, но полной стабилизации боковых краев не происходит: псевдоподии образуются и вдоль и поперек длины полоски. градиент (рис. 3б). Клетка без микротрубочек все направление движений гораздо чаще, чем фиброб- время выбрасывает псевдоподии по всему краю во ласт. Можно сравнить актиновую стабилизацию с всех возможных направлениях. Разумеется, такая кратковременной памятью, которая запоминает клетка теряет способность направленно двигаться, эффекты сигналов лишь на небольшое время, а ми- но совершает лишь бессмысленный “бег на месте”. кротрубочковую стабилизацию фибробласта – с Таким образом, у фибробластов имеется две сте- долговременной памятью. Остается нерешенным пени цитоскелетной стабилизации формы и движе- еще вопрос о механизмах стабилизации: каким об- ний – актиновая и микротрубочковая. В отличие от разом реорганизация цитоскелета определяет места фибробластов, у некоторых клеток, слабо вытяну- выбрасывания псевдоподий? Вероятнее всего, ак- тых, например, у лейкоцитов, разрушение микро- тиновые нити и микротрубочки транспортируют на трубочек почти не меняет форму и движения; оче- периферию, к определенным клеткам какие-то ор- видно, у таких клеток “работает” одна актиновая ганеллы, индуцирующие в этих местах полимериза- стабилизация. Лейкоцит меняет ориентировку и цию новых микрофиламентов и, следовательно, ÇÄëàãúÖÇ û.å. äãÖíäÄ äÄä ÄêïàíÖäíìêçéÖ óìÑé 7
  • 5. выбрасывание псевдоподий. Действительно, стаби- мозга, у человека могут превышать 1 м. Рост отрост- лизацию мест образования псевдоподий можно на- ков очень точно направлен: они соединяются толь- рушить у фибробластов агентами, нарушающими ко с нужными клетками-мишенями, то есть с опре- транспорт органелл, в особенности инъекцией анти- деленной группой нейронов или определенной тел к кинезину – известному нам мотору, везущему мышцей. Важность такой точности соединений для органеллы к микротрубочкам. Какие именно орга- правильной работы мозга очевидна: например, как неллы регулируют образование псевдоподий, остает- бы мы двигали рукой, если бы отростки двигатель- ся пока неясным. ных нейронов, заведующих движениями мизинца, Движения фибробластов, как и движения других соединялись не с мышцами мизинца, а с мышцами клеток, удобнее изучать в культуре, чем в организме, большого пальца или наоборот? хотя бы потому, что только в культуре и подложка Как же осуществляется такой точно ориентиро- (дно чашки Петри), и среда прозрачны, и все детали ванный рост отростков нейронов? Разберем кратко, движений можно наблюдать под микроскопом. как происходит такая ориентировка у эмбриональ- Вместе с тем, закономерности, открытые в культу- ных нервных клеток, помещенных в культуру. Рост ре, имеют общий характер и относятся и к движени- отростков нервных клеток внешне совершенно от- ям клеток в организме. Выберем только один при- личен от движений фибробластов: у нейрона ползет мер – заживление раны: кожа ранена каким-то по подложке лишь маленький уплощенный фраг- орудием, из поврежденных сосудов выходит кровь, мент клетки – так называемый конус роста и при- которая свертывается в ране. При свертывании кро- крепляющий на переднем крае псевдоподии (рис. 4). ви образуется сгусток фибриновых нитей, и из раз- Конус роста очень похож на уменьшенную копию рушающихся клеток крови – тромбоцитов выделя- безъядерного фибробласта. Задний конец конуса ется тромбоцитарный фактор роста. По всей роста соединен с телом клетки цилиндрическим вероятности, градиент этого фактора в среде при- стволом, богатым микротрубочками. Ни ствол, ни влекает в рану фибробласты из окружающей соеди- тело клетки псевдоподий не образуют. Двигаясь нительной ткани. Нити фибрина, подобно цилинд- вперед, конус роста тянет за собой ствол, который рическим подложкам в культуре, могут служить при этом удлиняется. Иногда сравнивают тело ней- “рельсами”, направляющими дополнительно дви- рона с хозяином, который на удлиняющемся повод- жение фиброблаастов в рану. Наконец, клетки, иду- ке (стволе) держит бегущую собачку (конус роста). щие в рану с разных сторон, благодаря контактному параличу, ориентируются упорядоченно друг отно- Направление движения конуса роста определя- сительно друга. Фибробласты, направленно мигри- ется внешними сигналами, меняющими образова- ровавшие в рану, начинают там размножаться и де- ние и прикрепление псевдоподий: а) градиентами лать коллагеновые волокна. Образуется рубец, и концентрации специальных белков, растворенных рана заживает. Заживление раны – лишь один из ва- в среде (так называемого фактора роста нервов) и риантов процессов, при которых направленные миг- б) формой подложки: в частности, конус роста хо- рации фибробластов и близких к ним клеток, напри- рошо ползет вдоль разных цилиндрических поверх- мер, костных клеток, остеобластов или хрящевых ностей. Например, одним из факторов стабилиза- клеток, хондробластов, восстанавливают повреж- ции эффекта внешних агентов является натяжение денную структуру соответствующих тканей нашего кортекса: микроигла, натягивающая отросток в сто- организма или меняют эту структуру в ответ на дей- рону, может соответственно изменить направление ствие внешних факторов. его роста. Для ориентировки отростка необходима и система микротрубочек: при разрушении этой сис- éíêéëíéä çÖâêéçÄ èéãáÖí ä ñÖãà темы рост отростка прекращается, и сам отросток сокращается. Таким образом, несмотря на внешние Рассмотрим теперь движения клеток, которые различия, механизмы движений фибробластов и составляют основу самой сложной из существую- роста нервных отростков сходны по общим механиз- щих в природе организаций – нашего мозга, нашей мам: они включают создание внешними факторами нервной системы. Особая, наверное, главная черта неравномерности прикрепления и стабилизацию этой организации – система сложнейших индиви- этих различий двумя цитоскелетными системами. дуальных связей между клетками, по которым через особые межклеточные контакты, синапсы, сигнал Особенность нейронов заключается в чрезвы- передается от одной нервной клетки (нейрона) к чайно длительной и стойкой микротрубочковой другому нейрону или мышечной клетке. Для такого стабилизации отростков, в длительной “долговре- направленного проведения сигналов нейроны в менной памяти”. Приобретя определенную ориен- процессе эмбрионального развития образуют отро- тировку, отростки сохраняют ее неопределенно стки, которые растут к клетке-мишени. Иногда долго, часто до конца жизни организма. Именно та- длина таких отростков может быть очень большой: кая модификация цитоскелетного механизма ста- отростки нейронов коры головного мозга, соединя- билизации отростков обеспечивает правильную ор- ющиеся с двигательными нейронами спинного ганизацию нервной системы. 8 ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996
  • 6. клетку, независимо от внешних сигналов. Напри- мер, нормальный фибробласт не синтезирует тром- боцитарный фактор роста; ген, кодирующий этот белок, “молчит” в нормальном фибробласте. Одна- ко, если этот ген мутирует и активируется, то фиб- робласт начинает синтезировать и выделять такой фактор. Сев на рецепторы мембраны, этот белок бу- дет стимулировать ту же клетку, которая его вырабо- тала: эта клетка начнет двигаться независимо от внешних сигналов, активируя саму себя (рис. 5). а ТФР Нормальный Тромбоциты фибробласт ТФР Трансформированный фибробласт Рис. 5. Вверху – нормальный фибробласт дви- б жется по направлению к внешнему сигналу – гра- диенту тромбоцитарного фактора роста /ТФР/, выделяемого на расстоянии тромбоцитами. Вни- зу – опухолевый фибробласт, движущийся беспо- Рис. 4. Контуры отростка нейрона, растущего рядочно под влиянием ТФР, выделяемого им са- вправо. Справа – конус роста, слева – ствол от- мим. Это один из многих вариантов стимуляции ростка, тело нейрона – на левом конце ствола опухолевой клетки собственными “внутренними” вне рисунка. Время между кадрами а и б – 5 мин. сигналами. За это время на активном краю конуса роста вытя- нулось и сократилось несколько псевдоподий, тогда как контур стабильного края ствола не изме- Сейчас мы знаем, что опухолевые клетки – это нился. На стекле вне клетки – неподвижные точки; видно, как сдвинулся вправо конус роста за время клетки с мутациями генов, ответственных за прове- между кадрами. дение сигналов. “Самостимуляция” клеточных движений в результате некоторых из таких мутаций, по-видимому, является основой самых опасных для ãéÜçõÖ ÇçìíêÖççàÖ ëàÉçÄãõ организма свойств некоторых опухолевых клеток: ÄäíàÇàêìûí çÖêÖÉìãàêìÖåõÖ ÑÇàÜÖçàü их способности к инвазии и метастазированию, то éèìïéãÖÇõï äãÖíéä есть способности выйти из той ткани, где возникли, Нормальная система регуляции движений нор- и двигаться в другие ткани и даже в другие органы, мальных клеток может портиться в результате мута- давая там начало новым колониям, разрушающим ций, и эта порча может иметь самые серьезные по- нормальные структуры организма. следствия для всего организма. Как мы видели, движения нормальных клеток, таких как фибробла- áÄäãûóÖçàÖ. äãÖíäÄ èêéÅìÖí, éñÖçàÇÄÖí, сты, вызываются и регулируются внешними сигна- áÄèéåàçÄÖí лами, например, факторами роста, выделяемыми другими клетками, такими как тромбоциты. Эти Подведем теперь некоторые итоги. Выбрасывая приходящие извне молекулы активируют рецепто- псевдоподии в ответ на внешние сигналы, клетка ры мембраны фибробласта и через ряд промежуточ- пробует и оценивает свое окружение. Где можно ных стадий реакций вызывают образование псевдо- лучше прикрепить эти псевдоподии? Куда можно и подий. В некоторых клетках могут произойти нужно ползти? Неравномерное образование, при- мутации генов, кодирующих белки, участвующие в крепление и натяжение псевдоподий в разных такой системе проведения сигналов. В результате участках поверхности клетки вызывает перестрой- синтезируются белки, постоянно активирующие ку всего цитоскелета, сперва актинового, потом ÇÄëàãúÖÇ û.å. äãÖíäÄ äÄä ÄêïàíÖäíìêçéÖ óìÑé 9
  • 7. микротрубочкового. Реорганизуя цитоскелет, клет- дельных клеток приводит к тому, что эти клетки пе- ки запоминают результаты предыдущих проб, пре- рестают разумно реагировать на внешние сигналы, дыдущих псевдоподиальных реакций и стабилизи- но активируют сами себя. Такая злокачественная руют направления будущих реакций. трансформация клеток может вызывать гибель все- Таким образом, клетка все время исследует ок- го организма. Мы не знаем еще точной природы ружающий ее мир и меняет свое поведение в зави- всех нормальных и патологических вариантов этих симости от результатов этого исследования. Один и механизмов морфогенеза, но можно надеяться, что тот же механизм в разных его модификациях обес- мы уже начали понимать, где искать их единые печивает и движение фибробластов при заживлении принципы. раны, и движения отростков нейронов при образо- вании нервной системы и, вероятно, множество êÖäéåÖçÑìÖåÄü ãàíÖêÄíìêÄ других процессов морфогенеза, приводящих к фор- 1. Ченцов Ю.С. Общая цитология (Введение в биоло- мированию нашего многоклеточного организма. гию клетки). М.: Изд-во МГУ, 1995. 3-е изд. При этом поведение каждой отдельной клетки со- 2. Албертс А., Брей Д., Льюис Р., Рафф М., Робертс К., циально разумно: оно согласовано с поведением ок- Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки в 3 т. пер. ружающих ее клеток через сигналы, поступающие с англ. М.: Мир, 1994. от клетки к клетке через жидкую среду или прямой клеточный контакт. Каждый тип клеток реагирует * * * на сигналы по-своему. Эти различия определяются Юрий Маркович Васильев, доктор медицинских химическими различиями белковых молекул реаги- наук, профессор, член-корреспондент РАН, про- рующих систем, например, рецепторов, цитоскеле- фессор кафедры вирусологии МГУ, зав. лаборато- та и т.д. Разумеется, эти различия определяются рией Всероссийского онкологического научного особенностями кодирующих белки генов. Порча центра. Автор 180 научных работ, включая 6 моно- механизмов оценки социального окружения от- графий на русском и английском языках. 10 ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1996