Механизмы самоорганизации цитоплазмы связаны с цитоскелетом

Каковы механизмы удивительной способности клеточной цитоплазмы к самоорганизации? Точно ответить на этот вопрос мы пока не можем, но некоторые соображения могут быть высказаны. Самоорганизация происходит даже в безъядерных клеточных фрагментах, следовательно, ядро для нее не нужно. Как мы видели, важнейшей частью самоорганизации являются перемещения цитоплазматических органелл, образующих эндоплазму в центральной части фрагмента или гиганта, туда же в гигантских клетках перемещаются и ядра. Естественно предположить, что за эти движения ответственны те же структуры, что и за все другие движения в клетке: фибриллы цитоскелета с прикрепленными к ним и органеллам моторными молекулами.

Один из конкретных механизмов такого рода связан с микротрубочками. Напомню еще раз, что в целой клетке микротрубочки растут радиально из центросомы, расположенной около ядра, при этом каждая микротрубочка имеет два конца: центральный минус-конец и периферический плюс-конец. Хотя в отрезанном фрагменте центра нет, микротрубочки в нем перераспределяются, образуя радиальную систему с плюс-концами в центре фрагмента и минус-концами на периферии (см. рис. 1). Механизм этого перераспределения был недавно проанализирован Родионовым и Бориси. Эти исследователи приготовили фрагменты из пигментных клеток (меланоцитов) кожи черных аквариумных рыбок. Дело в том, что эти клетки содержат в цитоплазме множество черных пигментных гранул, за движениями которых легко наблюдать в культуре. Во фрагментах цитоплазмы таких клеток пигментные гранулы при самоорганизации скапливались в центре, а микротрубочки расходились радиально из центра на периферию. В нормальной клетке различные органеллы, в том числе пигментные гранулы, двигаются при помощи специальных связанных с микротрубочками моторных молекул, динеинов и кинезинов. При этом динеины двигают органеллы к минус-концу микротрубочки, а кинезины – к плюс-концу. Оказалось, что, применив специальный ингибитор, угнетающий действие динеина, можно подавить самоорганизацию микротрубочек и гранул во фрагменте. Ингибиторы кинезинов оказались неэффективными. Таким образом, перемещение гранул и минус-концов микротрубочек в центр фрагмента оказалось результатом их перемещений, осуществляемых при помощи динеина (рис. 3). Эта работа Родионова и Бориси доказала реальное существование по крайней мере одного зависимого от цитоскелета механизма самоорганизации. Однако известно, что элементы самоорганизации во фрагментах могут сохраняться даже после деполимеризации микротрубочек. Поэтому весьма вероятно, что существуют и другие механизмы, зависимые от других цитоскелетных структур – микрофиламентов.

Рис. 3. Упрощенная схема возможного механизма самоорганизации микротрубочек и органелл во фрагменте цитоплазмы, основанная на данных Родионова и Бориси. Слева – две микротрубочки, соединенные с разными участками одной органеллы (кружок). Предполагается, что присоединение осуществляется через посредство специального белка – динеина, способного двигать органеллы вдоль микротрубочек от плюс-конца к минус-концу. Справа – вызываемые динеином взаимные перемещения микротрубочек и органеллы привели к тому, что эта органелла образовала подобие центра, от которого отходят в противоположные стороны две микротрубочки. Ориентированные плюс-концами к периферии

Под наружной мембраной каждой клетки расположен сократимый кортикальный слой актиновых микрофиламентов; у клеток, прикрепленных к дну культуры, этот слой растянут. Можно сравнить кортекс с растянутой резиновой лентой, стремящейся сократиться к своему центру. Очевидно, если разрезать эту ленту на фрагменты, каждый из фрагментов будет сокращаться к своему новому центру. Наоборот, если несколько кусков ленты склеить друг с другом, то объединенная лента будет сокращаться по направлению к новому единому центру. Сходным образом кортекс клеток и фрагментов во всех ситуациях натянут относительно центра. Натяжение будет ориентировать микрофиламенты кортекса: представьте себе сетку, которую кто-то растянул, все нити в ней станут ориентироваться относительно направлению натяжения. Ориентировка микрофиламентов может направлять зависимые от этих микрофиламентов движения органелл к центру. Этот довольно простой механизм пока остается гипотетическим. У нас нет пока прямых данных, подтверждающих его роль в самоорганизации. Изучение механизмов самоорганизации лишь начинается.

Гигантские клетки и клеточные фрагменты в нашем организме

Было бы удивительно, если бы замечательная способность цитоплазмы к самоорганизации не использовалась клетками в организме для различных физиологических целей. И действительно, в нашем организме многие клетки способны проделывать самостоятельно те же реорганизации, которые мы вызываем искусственно в культуре: соединяться друг с другом в гигантские многоядерные клетки и, наоборот, отделять от себя безъядерные цитоплазматические фрагменты, которые способны самоорганизоваться и выполнять важные физиологические функции.

Примерами многоядерных клеток могут служить миофибриллы поперечнополосатых мышц, образующиеся путем слияния одноядерных миобластов. По всей вероятности, здесь благодаря гигантским размерам ускоряется и синхронизуется реакция мышечной клетки на нервный сигнал, вызывающий ее сокращение: такой сигнал распространяется очень быстро от нервного окончания (синапса) по всей единой мембране, окружающей многоядерную клетку.

Еще один тип многоядерных клеток – гигантские клетки инородных тел. Такие клетки образуются под кожей или в других тканях из одноядерных клеток – макрофагов, – прилипших к поверхности инородного тела, застрявшего в этих тканях, например пули или иглы. Макрофаги безуспешно пытаются фагоцитировать инородное тело. Смысл слияния в гиганты заключается, по-видимому, в том, чтобы увеличить фагоцитирующую поверхность. Вероятно, по сходным причинам в костной ткани становятся многоядерными особые клетки (остеокласты), которые разрушают излишнее костное вещество.

Тромбоциты крови – самый интересный и важный пример образования отделенных от клеток цитоплазматических фрагментов, способных к самоорганизации. Тромбоциты играют центральную роль в свертывании крови, образовании тромбов – сгустков, закрывающих просвет разорвавшегося кровеносного сосуда и останавливающих кровотечение из этого сосуда. Патологическое тромбообразование – основа самых распространенных сердечно-сосудистых заболеваний, в особенности инфарктов и инсультов. Неактивированные тромбоциты, циркулирующие в крови человека, представляют собой небольшие безъядерные образования (рис. 4), покрытые мембраной и содержащие в цитоплазме много неполимеризованного актина, а также гранул разного состава. При действии химических веществ, связывающихся с рецепторами на наружной стороне их мембраны, например коллагена, тромбоциты активируются. Такая активация – начальный этап свертывания крови. На поверхности активированного тромбоцита выпячиваются многочисленные псевдоподии. У тромбоцитов, так же как и у больших ядерных клеток, молекулярной основой образования псевдоподий является полимеризация актиновых микрофиламентов из растворимого актина. К микрофиламентам присоединяются миозин и другие молекулы. В результате псевдоподии, как и у больших клеток, становятся сократимыми, способными прикрепляться к различным поверхностям, например к коллагеновым волокнам (см. рис. 4).