Противоположности притягиваются: как клетки и клеточные фрагменты движутся в электрических полях

Целые живые клетки и клеточные фрагменты ориентируются и движутся в ответ на электрические поля, как крошечные ползущие стрелки компаса, но в противоположных направлениях. К такому выводу пришли ученые из Калифорнийского университета в Дэвисе. Результаты, опубликованные 8 апреля в журнале Current Biology, в перспективе могут привести к новым способам заживления ран и доставки терапии стволовыми клетками.

Когда клетки мигрируют в поврежденную ткань для ее заживления, они следуют за электрическим полем. В здоровой ткани существует поток заряженных частиц между слоями. Повреждение ткани создает «короткое замыкание», меняя направление потока и создавая электрическое поле, которое направляет клетки в рану. Однако точный механизм этого процесса оставался неясным.

Ученые работали с клетками, образующими рыбью чешую, — кератоцитами. Эти клетки часто используются для изучения клеточного движения, и они легко образуют клеточные фрагменты, окруженные клеточной мембраной, но лишенные ядра, основных органелл, ДНК и других структур.

К удивлению исследователей, целые клетки и клеточные фрагменты двигались в противоположных направлениях в одном и том же электрическом поле. Впервые было показано, что такие базовые клеточные фрагменты способны ориентироваться и двигаться в электрическом поле. Это позволило обнаружить, что ориентация клеток и фрагментов определяется «перетягиванием каната» между двумя конкурирующими процессами.

Клетку можно представить как каплю жидкости и белкового геля в мембране. Клетки ползают по поверхностям, скользя и сцепляя белковые волокна (актиновые филаменты) внутри себя, выдвигая ведущий край и подтягивая задний.

Эксперименты показали, что при воздействии электрического поля на целые клетки, актиновые белковые волокна собирались и росли на стороне клетки, обращенной к отрицательному электроду (катоду). В то же время смесь сократительных волокон актина и миозина формировалась ближе к положительному электроду (аноду). И актин сам по себе, и актин с миозином могут создавать моторы, двигающие клетку вперед.

Эффект поляризации создавал противоборство двух механизмов. В целых клетках побеждал актиновый механизм, и клетка ползла к катоду. Однако в клеточных фрагментах верх одерживал актин-миозиновый мотор, который ориентировал заднюю часть фрагмента к катоду, заставляя его двигаться в противоположном направлении.

Результаты демонстрируют, что существуют как минимум два различных пути, по которым клетки реагируют на электрические поля. По крайней мере один из этих путей (ведущий к организации актин-миозиновых волокон) может работать без клеточного ядра или любых других органелл, помимо клеточной мембраны и белков цитоскелета.

Выше по течению этих двух путей находится некий сенсор, который детектирует электрическое поле. В отдельной статье, опубликованной в том же номере журнала, исследователи сужают круг возможных механизмов. Наиболее вероятное объяснение, по их мнению, заключается в том, что электрическое поле заставляет определенные заряженные белки в клеточной мембране концентрироваться у ее края, запуская ответную реакцию.