Универсальна ли связь «в контакте» среди клеток животных?

Белковые каналы, соединяющие соседние клетки, так называемые щелевые контакты, найдены у подавляющего большинства многоклеточных животных. Предполагается, что щелевые контакты могут быть универсальным средством межклеточной связи в животном царстве. И хотя у некоторых видов пока такие каналы найти не удавалось, последние данные, полученные различными исследователями, в том числе российскими учеными, указывают на возможность существования ЩК у всех многоклеточных животных поголовно. Вот только построены они, вероятно, из неизвестных еще белков, которые следует открыть.

Многоклеточный организм – это сложная композиция многих специализированных клеток, объединенных в системы тканей и органов, и работающая как единое целое. Основоположник клеточной (целлюлярной) патологии немецкий ученый Р. Вирхов сравнивал организм с «клеточным государством» (правда, Вирхов отводил излишнюю роль «суверенитету» отдельных клеток). Для сохранения целостности такого сообщества его граждане, клетки, должны поддерживать между собой регулярные контакты. В числе прочих, известно два типа межклеточных коммуникаций, позволяющих клеткам функционировать скоординировано. Во-первых, это – выделение клетками вовне специальных молекул (гормонов, медиаторов, а также, возможно, целых везикул-«упаковок» с молекулами белков и регуляторных микроРНК – см. «Клетки организма общаются с помощью посланий, упакованных в микровезикулы»). Во-вторых, формирование непрерывных каналов, соединяющих соседние клетки друг с другом непосредственно.

К последним относятся плазмодесмы растений – цитоплазматические мостики шириной 20-40 нм, ограниченные клеточной мембраной, и щелевые контакты животных, образованные цилиндрическими белковыми структурами с внутренним каналом диаметром около 2 нм (рис.1).

Щелевым контактам (ЩК) посвящена статья Л.Б. Поповой, Д.А. Ворнова, И.А. Косевича и Ю.В. Панчина (ИФХБ им. А.Н. Белозерского, Институт проблем передачи информации РАН, Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова). Свое название ЩК получили из-за того что плазматические мембраны соседних клеток разделены узкой щелью. Соединяются же клетки коннексонами – цилиндрическими каналами, состоящими из 6 белковых субъединиц, пронизывающими толщу мембраны клетки и расположенными в соседних клетках ровно друг против друга. ЩК способны проводить электрические сигналы и пропускать низкомолекулярные вещества, регулирующие рост и развитие клеток.

Функции ЩК сходны для всех многоклеточных животных, а вот белки, образующие ЩК, относятся к двум разным неродственным семействам: коннексинам и паннексинам. Коннексины (connect – соединять) найдены только у позвоночных животных и оболочников (также относящихся к хордовым). Открытые позже паннексины некоторое время именовались иннексинами (т.е. аналогом коннексинов у беспозвоночных животных – Invertebrate), т.к. были изначально отмечены только у беспозвоночных животных. Но позже российские ученые под руководством Ю.В. Панчина показали, что белки - гомологи иннексинов присутствуют у также у человека и других хордовых и предложили именовать это белковое семейство паннексинами (от латинского pan – все).

Щелевые контакты обнаружены у подавляющего большинства многоклеточных животных (Metazoa), и они могли бы считаться универсальной межклеточной коммуникацией в этом царстве. Однако у губки, трихоплакса, морского ежа, морской звезды и актинии никаких белков ЩК пока выявить не удалось. Следовательно, либо у части многоклеточных животных ЩК отсутствуют вовсе, либо полный репертуар белков ЩК до сих пор не известен.

В пользу последнего предположения свидетельствуют результаты недавно проведенных исследований актинии Nematostella vectensis: у эмбрионов актинии были выявлены клеточные структуры со сближенными мембранами, которые могли бы быть местами локализации ЩК, плюс к тому у актинии найден ген, родственный генам паннексинов.

Данные, приведенные в обсуждаемой статье, также указывают на существование ЩК у актиний, по крайней мере, у ее зародышей. На ранней стадии развития эмбриона актинии – до четырех клеток включительно – бластомеры еще не разграничены полностью (они слиты в единый синцитий ). Далее, после следующего дробления, клетки зародыша отъединяются друг от друга.

Ученые провели два эксперимента. В соседние клетки восьмиклеточного эмбриона были помещены электроды, по одному из которых в одну клетку подавался электрический ток, а два других регистрировали изменение электрического напряжения на обеих соседних мембранах (рис. 2). Подача тока в первую клетку приводила к одновременному скачку напряжения как на мембране этой клетки, так и на мембране ее соседки. Коэффициент связи, рассчитанный как соотношение ∆V-2/∆V-1, в среднем равнялся 0,81. Такое сильное электрическое сопряжение между клетками могло бы существовать, например, в случае их неполного отделения друг от друга.

Однако следующий опыт опроверг это предположение. В одну из клеток с помощью электрода вводили флуоресцентный краситель и наблюдали за объектом в течение часа. За это время светящаяся краска не распространялась из инъецированной клетки в соседние бластомеры, что непременно бы случилось, если бы между клетками сохранялись цитоплазматические перемычки. Даже после очередного деления клеток свечение отмечалось только в двух потомках инъецированной клетки (рис. 2).

Таким образом, связь между клетками эмбриона актинии более всего похожа на ЩК. А из этого следует, что поиск новых семейств белков щелевых контактов, не родственных ни коннексинам, ни паннексинам, следует продолжать.