Силы притяжения: как клетки меняют направление движения
Многие типы клеток высших организмов способны к направленному движению в ответ на присутствие определённых химических аттрактантов. Команда под руководством доктора Дорис Генрих с факультета физики и Центра нанонауки (CeNS) Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене разработала новую методику для воздействия на живые клетки быстро меняющимися концентрациями хемоаттрактантов.
«С помощью этого нового экспериментального подхода мы с высоким временным и пространственным разрешением исследуем, как живые клетки реагируют на быстрые изменения градиентов концентрации аттрактантов. Это даёт нам новый способ изучения того, как такие изменения обнаруживаются и передаются сигнальными путями клетки», — говорит Генрих. Работа имеет клиническое значение, поскольку направленная миграция клеток важна для эмбрионального развития и иммунных реакций. Исследователи даже использовали свою систему для создания хемотаксической ловушки, которая позволяет им иммобилизовать клетки, подвергая их воздействию быстро меняющихся паттернов аттрактантов (PNAS Early Edition, 27 июня 2011 г.).
Термин «хемотаксис» означает способность многих типов клеток высших организмов обнаруживать градиенты концентрации специфических соединений и реагировать на них, мигрируя к источнику градиента или от него. «Мы исследуем, как клетки следуют градиентам концентрации хемоаттрактанта и меняют направление миграции после изменения внешнего стимула. Мы разработали так называемый микрофлюидный генератор градиента, который позволяет нам быстро изменять направление градиента, так что клетки неоднократно стимулируются к смене направления движения», — говорит Бёрн Майер, первый автор нового исследования.
Каждая клетка мигрирует вдоль градиента, перемещаясь в сторону источника аттрактанта. Это движение клетки основано на постоянной реорганизации цитоскелета — сети волокон из белка актина внутри живой клетки. В ответ на присутствие аттрактанта актиновые филаменты собираются в передней части клетки, заставляя мембрану формировать выступы, называемые псевдоподиями, в направлении миграции. Предыдущие исследования показали, что эта реорганизация контролируется локальным накоплением сигнальных молекул в ответ на связывание аттрактанта со специфическими рецепторами на поверхности клетки. «Однако очень трудно обнаружить лежащие в основе изменения в пространственном и временном распределении вовлечённых биохимических агентов. Для этого необходимо получить очень точный контроль над формой и направлением градиента хемоаттрактанта», — говорит Генрих. Новый генератор градиента обеспечивает такой контроль и обещает дать более глубокое понимание сигнальных путей, контролирующих хемотаксис.
В новом исследовании учёные описывают два разных способа, которыми клетки могут переориентироваться в ответ на изменения градиента. В зависимости от условий клетки могут либо выполнить разворот на 180°, либо начать движение в обратном направлении, разбирая актиновый цитоскелет на прежнем переднем крае клетки и переключая место сборки филаментов на противоположный конец. Такая реорганизация актинового цитоскелета требует участия большого количества белков. Исследовательская группа особенно заинтересована в определении пространственно-временного изменения распределения этих факторов в течение всего процесса.
Новая методика даже позволяет изменять направление градиентного поля с такой высокой скоростью, что, хотя клетка может реагировать на каждое переключение, активируя свой внутренний сигнальный механизм, у неё не хватает времени, чтобы соответствующим образом переориентировать актиновую сеть до следующего изменения градиента. В результате клетка остаётся в исходном положении, иммобилизованная в хемотаксической ловушке.
В другом эксперименте клетки подвергались воздействию меняющихся градиентов аттрактанта в присутствии препаратов, которые, как известно, влияют на хемотаксические сигнальные каскады в клетках. Команда смогла показать, что один конкретный ингибитор оказывает резкое влияние на паттерн движения клеток. Как подчёркивает Генрих: «Наша экспериментальная установка даст нам новое понимание сложных внутриклеточных сигнальных путей, имеющих фундаментальное значение для многих областей биологических исследований, включая клеточную и биологию развития, биохимию и медицину».