Социальная жизнь в «государстве клеток»

Два фибробласта под микроскопом. Сиреневым цветом окрашены ядра клеток; видны также элементы цитоскелета - тубулиновые микротрубочки (желтые) и актиновые филаменты (синие). Фото с сайта http://www.immediart.com

Многоклеточный организм - «государство клеток», сложнейшая система, складывающаяся из взаимодействий миллиардов крошечных существ, обладающих сложным поведением и общающихся между собой посредством разнообразных химических и физических сигналов. Изучение социального поведения клеток, выращиваемых в клеточных культурах, - один из путей к пониманию того, как из отдельных клеток складывается целостный организм.

Статья В. И. Самойлова и Ю. М. Васильева из Института физико-химической биологии им. Белозерского представляет собой обзор данных по социальному поведению клеток позвоночных - фибробластов и эпителиоцитов. Обычно под «социальным поведением» понимают согласованные действия индивидуальных организмов в коллективе (популяции, колонии, семье и т.п.). Однако этот термин вполне приложим и к отдельным клеткам, составляющим многоклеточный организм. Еще Рудольф Вирхов, знаменитый немецкий ученый XIX века, метко назвал многоклеточный организм «государством клеток».

«Мы не всегда осознаем, как сложен и замечателен процесс образования многоклеточного организма из огромного числа отдельных клеток». - отмечают авторы в начале статьи. - «Ведь каждая клетка - сложное существо, обладающее индивидуальным очень непростым поведением и способностью реагировать на большое количество сигналов среды».

При выращивании клеток вне организма (в клеточной культуре) клетки, конечно, ведут себя и общаются друг с другом не совсем так, как в своей «родной» среде обитания, то есть в тканях многоклеточного организма. Однако изучать поведение клеток в культуре гораздо легче и удобнее, чем внутри живого организма, и этот экспериментальный подход позволил получить много интересных данных. Приложимость полученных результатов к целостному организму - это вопрос отдельный, и во многих случаях вполне разрешимый.

На поведение клеток как в «естественной среде», так и в культуре могут влиять три вида внешних сигналов:

1) Химические вещества, растворенные в окружающей жидкой среде (тканевой жидкости); химические сигналы могут быть «дальнодействующими» (гормоны) и «близкодействующими» (например, факторы роста);

2) Контакт с внеклеточным матриксом. В «естественных» условиях клетки тканей обычно прикрепляются к матриксу; в культурах «поверхность искусственной подложки из стекла или пластика обычно покрывается выработанным посеянными клетками внеклеточным матриксом - коллагеновыми, фибронектиновыми или иными волокнами». В процессе прикрепления к матриксу клетки образуют псевдоподии, на которых образуются «фокальные контакты» в виде особых бляшек, к которым прикрепляются пучки актиновых филаментов. Прикрепляясь к матриксу, клетка «распластывается», ее форма из сферической превращается в уплощенную.

3) Контакты с другими клетками. При соприкосновении клеток между ними формируются особые контактные образования (адгезионные структуры) нескольких разных типов. Контакт с другими клетками ведет к прекращению образования псевдоподий (так называемый «контактный паралич»). Когда контактов с другими клетками много, это ведет к прекращению клеточных делений (контактное торможение размножения).

Во взаимодействии клеток с окружающей средой важнейшую роль играют разнообразные рецепторы, расположенные на клеточной мембране. Их можно подразделить на три основные группы: рецепторы сигнальных молекул межклеточной среды, рецепторы молекул внеклеточного матрикса и рецепторы межклеточных контактных молекул.

Авторы описывают некоторые особенности поведения фибробластов в культуре. Один из характерных «фокусов», входящих в репертуар фибробластов, называется «заживление раны». Если удалить с подложки часть плотной однослойной культуры фибробластов (монослоя), то клетки начинают активно двигаться с края «раны» на свободную поверхность. Попав туда, клетки начинают ускоренно делиться. В результате рана быстро «заживает». После этого клетки, заполнившие рану, начинают вырабатывать фибронектин, коллаген и другие компоненты внеклеточного матрикса. Все это очень похоже на заживление дефетков соединительной ткани в организме.

Эпителиальные клетки, в отличие, от фибробластов, редко существуют поодиночке: обычно они связаны в однослойные пласты. При выращивании в культуре края таких пластов начинают активно образовывать псевдоподии и «расползаться». При этом клетки движутся не поодиночке, а в виде многоклеточных тяжей (это можно сравнить с согласованными перемещениями некоторых микроорганизмов). «При этом отдельные лидерные клетки по неизвестным причинам вырываются вперед, впрочем, не разрывая полностью контактов с соседними клетками. Клетки-лидеры тянут за собой соседние краевые и задние клетки, в результате чего на краю пласта могут образоваться многослойные выросты, «языки» различной длины.

Многие особенности поведения клеток в культуре связаны с реорганизацией сигнальных систем клетки, которая, в свою очередь, ведет к преобразованию цитоскелета. Такие реакции, как распластывание, движение и контактный паралич, имеют в основе полимеризацию и деполимеризацию актина и образование или прекращение образования псевдоподий. Все эти реакции идут под управлением сложных контролирующих систем. В заключительной части статьи авторы выражают надежду, что исследования социального поведения клеток, в том числе при выращивании в культуре, помогут в конце концов решить «одну из величайших проблем биологии - проблему механизмов образования многоклеточного организма из отдельных клеток».