Геометрия играет важную роль в поведении клеток

Исследователи из Пенсильванского университета, вдохновлённые влиянием геометрии на физические системы (например, мягкую материю), выявили неожиданные закономерности того, как физика молекул внутри клетки влияет на её поведение.

«У клеток есть скелет, как и у нас, — сказал аспирант Нейтан Бейд. — И, как и наш скелет, он жёсткий. Мы хотели понять, как этот жёсткий скелет будет реагировать на геометрию».

Учёные сосредоточились на гладкомышечных клетках сосудов, из которых состоит большая часть крупных кровеносных сосудов млекопитающих. Вопреки ожиданиям, что клетка будет избегать изгибов, исследователи обнаружили, что на цилиндрической поверхности клетки формируют сильно изогнутые скелеты. Манипулируя клеточным скелетом, они смогли воспроизвести картину его ориентации, наблюдаемую in vivo.

«Самое захватывающее открытие — геометрия действительно важна для поведения клеток, — отметил Бейд. — Думаю, этому фактору ранее уделяли меньше внимания по сравнению с жёсткостью и другими важными параметрами среды».

Исследование под руководством Нейтана Бейда и профессоров Кэтлин Стиб, Рэндалла Кеймина и Ричарда К. Ассоиана опубликовано в журнале Science Advances.

«Мы уже знаем, что клетки млекопитающих взаимодействуют с границами, — сказала Стиб. — Например, на поверхностях разной жёсткости они организуются по-разному. Это заинтересовало нас вопросом геометрии: может ли клетка "видеть" форму своей границы? Мы начали работу с цилиндрических структур, так как они очень распространены в биологии».

Для исследования Бейд покрывал цилиндры молекулами, обеспечивающими адгезию клеток, и наблюдал за их поведением на искривлённой границе с помощью мощного конфокального микроскопа, дающего трёхмерную информацию.

Обработав стресс-волокна (активный цитоскелет внутри клеток) для флуоресценции, учёные с помощью лазера получали высокодетализированные изображения. Они обнаружили, что популяция стресс-волокон в верхней части клетки ориентирована иначе, чем популяция внизу.

Размер цилиндра влиял на реакцию клетки: чем больше цилиндр (и меньше кривизна), тем слабее выравнивались стресс-волокна. На цилиндрах меньшего диаметра (с большей кривизной) волокна выравнивались сильнее.

«Одна популяция стресс-волокон выравнивается вдоль оси, а другая обвивает цилиндр, — пояснила Стиб. — Это очень чёткий паттерн. Затем мы спросили: почему так происходит?»

Используя препарат, активирующий Rho внутри клеток и делающий стресс-волокна толще и, возможно, жёстче, исследователи ожидали, что это помешает волокнам обвивать цилиндр. К их удивлению, обработка полностью устранила волокна, выровненные по оси, и утолщила обвивающие волокна.

«Реорганизация поразительна, — сказала Стиб. — Мы думаем об этом как о том, что клетки "вычисляют": они чувствуют и реагируют на кривизну. Очевидно, кривизна — очень важный сигнал, влияющий как на организацию самой клетки, так и её микроструктуры. Эти популяции стресс-волокон можно манипулировать с помощью препаратов, меняющих жёсткость. И после таких манипуляций волокна сохраняют чёткую ориентацию. Это необычный аргумент для формирования паттернов в биологии».

Команда продолжает исследовать сигналы кривизны и более сложные геометрии границ.

«Результаты этой работы очень интересны, но оставили массу открытых вопросов, — сказал Бейд. — Один из них — понять механистические детали. Что именно в клетке заставляет одну популяцию сильно изгибаться, а другую оставаться прямой, для нас всё ещё загадка. Кроме того, мы сейчас создаём более сложные искривлённые поверхности, чтобы увидеть реакцию клеток на более сложное поле кривизны».

По словам Бейда, это исследование дало фундаментальное понимание того, как клетки взаимодействуют со средой, что важно для понимания их функций в организме.

«Была новаторская работа по пониманию того, как клетки чувствуют жёсткость — стимул среды, не являющийся растворимым химическим сигналом. Это очень важно при раке и многих заболеваниях. Думаю, понимание того, как клетки чувствуют и реагируют на геометрию, также важно», — отметил он.

Исследователи также показали, что на базовом уровне могут задавать паттерн внутренней структуры клетки. Эти паттерны важны для последующего поведения клеток, такого как миграция и пролиферация. Способность клеток быстро делиться и перемещаться может зависеть от геометрии и кривизны.

«Возможность организовать даёт возможность исследовать, — сказал Ассоян. — Это может быть удобным инструментом для организации клетки и её субструктуры для дальнейшего изучения. Также интересен вопрос: если вы строите структуры из клеток, даёт ли такая организация клетки и её подструктур новый ответ у в остальном идентичных клеток? Было бы очень интересно сотрудничать с теми, кто думает о том, как использовать клетки для заживления ран или взаимодействия клеток с границами для имплантатов.

Помимо нового понимания фундаментальных принципов, с помощью которых клетки интерпретируют геометрию поверхности, это исследование может иметь далеко идущие последствия для понимания того, как гладкомышечные клетки и их цитоскелеты способствуют формированию кровеносных сосудов в процессе развития и, возможно, даже как они ремоделируют свои сосуды при сосудистых заболеваниях. И поскольку мы обнаружили, что эта реакция на геометрию не ограничивается гладкомышечными клетками, чувствительность к геометрии может стать новым рубежом в самых разных областях биологии».

«В этом веселье науки и инженерии: небольшой новый инструмент может затронуть всё остальное, — сказала Стиб. — А это открытие — драматическая реорганизация. Так что ещё оно затронет?»