Белки нектины помогают клеткам слухового эпителия расположиться в шахматном порядке

Рис. 1. Вот где встречаются нектины разных типов (окрашены зеленым) в слуховом эпителии новорожденных мышат. Нектин-1 (левая колонка) характерен исключительно для контактов волосковой клетки с сопровождающей (показаны стрелочкой). Нектин-2 (средняя колонка) присущ вообще всем клеточным контактам в этой области. А нектин-3 (правая колонка) хотя и встречается в основном в волосково-сопровождающих контактах (показаны стрелочками), но в небольших количествах присутствует и в контактах сопровождающих клеток друг с другом (показаны треугольниками). Красным цветом в нижнем ряду показаны волосковые клетки. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Очень часто в сложноорганизованных тканях можно увидеть «узоры», в которых клетки одного типа достаточно строго чередуются с клетками другого. Яркий пример тому — слуховой эпителий, который расположен в улитке, одной из частей внутреннего уха. В этом эпителии есть два типа клеток — волосковые (сенсорные рецепторы, благодаря которым мы слышим, см. Hair cell) и клетки сопровождения (которые обеспечивают поддержку и опору волосковых клеток). Эти два типа клеток располагаются в шахматном порядке. Каким же образом им удается так выстроиться? Группа исследователей из Японии смогла разобраться в этом вопросе.

Вообще, межклеточными взаимодействиями занимается множество белков, которые известны под общим названием «молекулы клеточной адгезии» (МКА). Как правило, это трансмембранные рецепторы, то есть белки, у которых одна часть обращена внутрь клетки, другая плавает в мембране, а третья — торчит наружу. И если наружная часть одного рецептора от одной клетки сцепится с наружной частью другого рецептора от другой клетки, то в результате «сцепятся» и сами эти клетки. Причем в зависимости от того, принадлежат ли эти наружные части белкам одного типа или разных, сцепляться будут одинаковые или разные клетки. Сцепление двух белков одного типа называется гомофильным взаимодействием, а сцепление двух белков разных типов — гетерофильным.

Но какие конкретно молекулы важны для правильной организации слухового эпителия? Под подозрение ученых попали нектины (см. Nectin) — отдаленные родственники иммуноглобулинов. В принципе, нектины способны и к гетерофильным и к гомофильным взаимодействиям, но гетерофильные им нравятся больше. Поэтому можно предположить, что именно гетерофильные взаимодействия между ними и обеспечивают шахматную структуру слухового эпителия.

Чтобы это проверить, исследователи первым делом посмотрели, как распространены три вида нектинов — нектин-1 (см PVRL1), нектин-2 (см. PVRL2) и нектин-3 (см. PVRL3) — в слуховом эпителии мышей. И оказалось, что два вида нектина — 1 и 3 — встречаются практически исключительно там, где волосковая клетка контактирует с сопровождающей. В то же время, нектин-2 обнаруживался во всех клеточных контактах без разбора (рис. 1).

Эти данные сузили круг подозреваемых до двух видов нектина — первого и третьего. Теперь оставалось узнать, в каком виде клеток (волосковых или сопровождающих) какой вид нектина производится. Из распределения белков (показанного на рис. 1) это понять совершенно невозможно, поскольку нектины располагаются в области межклеточных контактов, и нельзя точно разглядеть, к какой именно клетке они принадлежат.

Зато можно посмотреть, в какой из клеток присутствует матричная РНК (мРНК) для соответствующего нектина — она относительно равномерно распределена по цитоплазме, и поэтому понять, к какой клетке она относится, не составит никакого труда. Увидеть распределение мРНК можно с помощью методики под названием «гибридизация in situ» (см. In situ hybridization). Выяснилось, что мРНК для нектина-1 (а значит, и сам этот белок) присутствует только в волосковых клетках, а мРНК для нектина-3 — только в сопровождающих.

Итак, вырисовывалась следующая картина: в волосковых клетках экспрессируется нектин-1, а в сопровождающих — нектин-3. Сцепившись друг с другом, эти два нектина соединяют свои клетки — волосковую с сопровождающей. В результате волосковая клетка становится окружена сопровождающими, а сопровождающая — волосковыми, то есть они выстраиваются в шахматном порядке. Иными словами, для организации такого узора нужно всего две молекулы — нектин-1 и нектин-3.

Теперь нужно было доказать, что так оно всё и происходит. Для этого исследователи посмотрели, как выстроены клетки в слуховом эпителии у трех линий мышей-нокаутов — тех, которые не экспрессировали нектин-1, 2 и 3 соответственно.

Рис. 2. Окрашивание на F-актин (зеленый цвет), который в больших количествах встречается в волосковых клетках, а также обнаруживается в межклеточных контактах, показывает, что при отсутствии нектина-1 и особенно нектина-3 порядок расположения клеток в слуховом эпителии мышей нарушается. О том же говорит и окрашивание на ZO-1 (красный цвет), специфический маркер плотных контактов (одного из видов соединения между клетками, см. Tight junctions). Стрелочками показаны ненормальные соединения между волосковыми клетками, а треугольниками — ненормальные соединения между клетками Дейтерса (это один из видов клеток сопровождения, см. Deiters cells). В левом столбике — контроль (слуховой эпителий мышей дикого типа), дальше — нектин-1, 2 и 3-нокауты. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

И действительно, оказалось, что при отсутствии нектинов 1 и 3 регулярность чередования клеток заметно нарушается (рис. 2). Особенно страдают нектин-3-нокауты, у которых волосковые клетки очень часто начинают соединяться в группы по две-три штуки. Видимо, не найдя нектина-3, молекулы нектина-1 начинают слипаться друг с другом, из-за чего в контакт входят уже не разные, а одинаковые клетки.

Ну что ж, если для того, чтобы клетки организовались в шахматном порядке, нужны всего две молекулы, то, может, эти же молекулы смогут организовать порядок расположения других клеток, которые не имеют отношения к слуховому эпителию? Чтобы проверить это, исследователи сделали следующее.

Они взяли одну из самых распространенных клеточных линий HEK293 (см. HEK cell) и создали из нее две сублинии. Первую они заставили экспрессировать нектин-1 и EGFP (зеленый флуоресцентный белок), а вторую — нектин-3 и mCherry (флуоресцентный белок, который светится красным). Довольно редко рассеяв клетки обеих сублиний, чтобы они смогли образовать независимые колонии, исследователи стали наблюдать, что происходит на границе двух разных колоний.

Рис. 3. Взаимное расположение клеток НЕК293, экспрессирующих нектин-1 + EGFP (зеленые) и нектин-3 + mCherry (красные) напоминает шахматный порядок, в котором располагаются клетки в слуховом эпителии (D). В то же время, клетки, экспрессирующие EGFP и mCherry просто (А), нектин-1 + EGFP и нектин-1 + mCherry (В) и нектин-3 + EGFP и нектин-3 + mCherry (С), не показывают такого строгого узора. Это говорит о том, что именно взаимодействие между нектином-1 и нектином-3 обеспечивает шахматный порядок расположения клеток различных типов. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

И выяснилось, что расположение клеток разных сублиний в этих областях в некоторой степени напоминает тот самый шахматный порядок, в котором выстраиваются клетки в слуховом эпителии (рис. 3).

Можно даже проследить, как клетки перемещаются, чтобы организоваться в такой узор (см. рис. 4).

Рис. 4. Фотографии расположения клеток разных сублиний (окраска которых соответствует таковой для рис. 3, D) в разные моменты времени (t, в минутах). Видно, как клетки передвигаются, чтобы занять такое положение, в котором они будут окружены клетками другой сублинии. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Итак, вот как, судя по всему, организуется правильное расположение клеток с помощью нектинов.

Нектин-1 экспрессируется волосковыми клетками, нектин-3 — сопровождающими, а нектин-2 — и теми и другими. Нектин-1 сильно связывается с нектином-3, нектин-2 и нектин-3 связываются слабее, а нектин-1 и нектин-2 не связываются вовсе. При этом каждый нектин может соединиться с себе подобным — то есть нектин-1 с нектином-1, нектин-2 с нектином-2, а нектин-3 с нектином-3.

Если все три нектина нормально экспрессируются, то сильные взаимодействия между нектином-1 и нектином-3 «забивают» все остальные и определяют порядок, в котором выстроятся клетки, — такой, в котором каждая клетка окружена клетками другого вида. У мышей-нокаутов, которые не экспрессируют нектин-1, этот порядок более или менее сохраняется, потому что взаимодействия между нектином-2 и 3 частично компенсируют отсутствие взаимодействия между нектином-1 и 3. Если нет нектина-2, то порядок расположения клеток вообще не нарушается, потому что главное взаимодействие — между нектином-1 и 3 — не затронуто. При отсутствии же нектина-3 порядок клеток нарушается очень сильно, потому что становятся невозможными и взаимодействия между нектином-1 и 3, и между нектином-2 и 3.

Рис. 5. Схема организации расположения волосковых клеток и клеток сопровождения у мышей дикого типа (WT) и у нокаутов по нектину-1 (Nectin-1 KO), нектину-2 (Nectin-2 KO) и нектину-3 (Nectin-3 KO). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Всё это говорит о том, что именно члены иммуноглобулинового суперсемейства белков, нектины, обеспечивают шахматный порядок организации клеток в слуховом эпителии. Судя по всему, аналогичные механизмы действуют и в других областях, где наблюдается строгое чередование клеток, хотя возможно, что там этим занимаются другие молекулы. Например, показано, что белки Hibris и Roughest, тоже члены иммуноглобулинового суперсемейства, вносят вклад в организацию расположения клеток в глазу у плодовой мушки дрозофилы.

Источник: Hideru Togashi, Kanoko Kominami, Masazumi Waseda, Hitomi Komura, Jun Miyoshi, Masatoshi Takeichi, Yoshimi Takai. Nectins Establish a Checkerboard-Like Cellular Pattern in the Auditory epithelium // Science. 2011. V. 333. P. 1144–1147.

Вера Башмакова