Понимание хемотаксиса: команда раскрывает сложные механизмы движения клеток

Если бы раковые клетки не могли двигаться, выживаемость пациентов резко возросла бы. Но реальность сложна. Джеймс Беар, PhD, профессор клеточной биологии и физиологии, пытается понять движение клеток, чтобы влиять на этот процесс.

Клетки постоянно перемещаются — это называется клеточной миграцией. Проблема возникает, когда двигаются раковые клетки, что делает их почти неуязвимыми и приводит к метастазированию (стадия 4 рака). Лаборатория Беара в UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center изучает механизмы клеточной миграции, часто работая со здоровыми клетками, такими как фибробласты.

Как двигаются клетки?

Клетки движутся благодаря цитоскелету — внутреннему каркасу из белковых нитей (филаментов). Одна из ключевых систем — актиновый цитоскелет. Актин, первоначально открытый как мышечный белок, присутствует во всех клетках и является движущей силой миграции. Актиновый цитоскелет постоянно разрушается и перестраивается за доли секунды. Для движения клетки должны скреплять актиновые филаменты специальными белками в определённых архитектурах.

Один из главных «сшивающих» белковых комплексов — Arp2/3. Долгое время считалось, что его нельзя изучать in vitro, так как манипуляции с ним приводят к гибели клетки. Однако в 2012 году лаборатория Беара первой создала жизнеспособную клеточную линию фибробластов без Arp2/3. Это позволило изучить его роль в направленном движении клеток в ответ на сигналы среды — процесс, называемый хемотаксисом.

Учёные предполагали, что фибробласты без Arp2/3 не смогут осуществлять хемотаксис. Контрольный эксперимент с использованием микрофлюидной камеры показал обратное: клетки без комплекса медленно (в 5 раз медленнее), но верно двигались по градиенту химического сигнала. При этом они не могли реагировать на другой направленный сигнал — внеклеточный матрикс. Результаты были опубликованы в 2012 году в журнале Cell.

Поиск ключевого механизма

Фибробласты важны для заживления ран и участвуют в патологических процессах, например, при фиброзе лёгких (ХОБЛ). Известно, что их направленная миграция запускается фактором роста тромбоцитов (PDGF) через рецептор PDGF-R. Блокирование этого рецептора останавливало хемотаксис.

Учёные проверили два нижележащих сигнальных пути — PI3 Kinase и TOR, которые важны для хемотаксиса амёбоидных клеток. В фибробластах их блокировка не повлияла на движение. Это стало неожиданностью.

Затем, с помощью лаборатории Неда Шарплесса, были созданы две линии меланомных клеток с организацией актина, как у фибробластов, и дефектами в тех же сигнальных путях. Клетки всё равно двигались направленно.

Учёные задались вопросом: что абсолютно необходимо для генерации направленной силы? Они сосредоточились на миозине — моторном белке, который, связываясь с актином, создаёт силу для движения.

В амёбоидных клетках миозин расположен сзади и «выдавливает» клетку вперёд. В фибробластах он распределён по всей клетке. Применение химического ингибитора миозина позволило клеткам мигрировать, но случайным образом — они потеряли способность реагировать на направленный сигнал PDGF. После удаления ингибитора хемотаксис восстанавливался.

Генетические эксперименты по «нокауту» двух основных изоформ миозина показали:

• Без миозина IIB клетки сохраняли способность к хемотаксису.
• Без миозина IIA клетки не могли двигаться вообще.

В ходе трёхлетней работы с микрофлюидными системами команда выявила цепочку белков и событий, регулирующих миозин IIA. Ключевым звеном оказалась протеинкиназа C (PKC), которая локально ингибирует миозин IIA. Это создаёт асимметрию силы, необходимую для направленного движения, подобно выдавливанию зубной пасты из тюбика. Это единственный элемент, без которого хемотаксис невозможен. Результаты были опубликованы в 2014 году в журнале Developmental Cell.

Значение открытия

• Переосмысление миграции: Работа заставляет пересмотреть представления о том, как клетки движутся к направленным сигналам.
• Потенциал для медицины: Понимание этого пути может быть важно при заболеваниях, связанных с фибробластоподобными клетками, например, при фиброзе (ХОБЛ). Если предотвратить их миграцию в лёгкие, печень или почки, это может улучшить состояние пациентов.
• Пазл метастазирования: Исследование добавляет новую деталь в понимание механизмов метастазирования рака.
• Фундаментальная биология: Работа раскрыла ранее неизученные аспекты биологии фибробластов — «универсальных клеток» организма, чья роль недооценивалась. Поскольку многие клетки приобретают свойства, сходные с фибробластами, эта модель помогает понять общие механизмы клеточной миграции.

«Приведёт ли эта работа к появлению лекарства в клинических испытаниях на следующей неделе? Нет. Но так и работает наука. Базовая наука — это построение понимания с нуля. Сначала нам нужно знать, что происходит в нормальных клетках, в нормальной биологии. Без этого понимания у нас не будет контекста для изучения болезненных состояний», — говорит Джеймс Беар.

По его словам, в отличие от ситуации 20-летней давности, сейчас есть лучшие экспериментальные инструменты и концептуальное понимание работы клеток, что в перспективе позволит создавать методы лечения, нацеленные на истинные причины заболеваний.