Как плотность клеток регулирует экструзию эпителиальных клеток

Международная группа учёных выяснила, как плотность клеток регулирует процесс экструзии (выталкивания) эпителиальных клеток. Исследование было опубликовано в журнале Current Biology 5 октября 2016 года.

Влияние плотности клеток на экструзию

Поверхности тела, как внешние, так и внутренние, покрыты слоем клеток — эпителиальными пластами. Классический пример — кожа, но эпителий также выстилает внутренние полости, такие как кровеносные сосуды, желудок и рот. Основная функция этих пластов — создавать защитный барьер от физических повреждений и инфекций. Для этого целостность эпителиального пласта должна поддерживаться за счёт баланса между обновлением и удалением клеток. Например, слой клеток, выстилающий кишечник, обновляется каждые пять дней. Стареющие, повреждённые или ненужные клетки устраняются путём апоптоза (запрограммированной клеточной смерти), что позволяет удалить их, не повреждая соседние здоровые клетки, как это происходит при воспалении.

Удаление этих апоптотических клеток из эпителиального пласта для сохранения целостного барьерного слоя происходит посредством процесса клеточной экструзии. До сих пор исследования показывали, что экструзия эпителиальных клеток происходит за счёт образования сократительного кольца из белковых "канатов" и моторов в клетках, окружающих целевую клетку. Это кольцо сжимается вокруг основания выталкиваемой клетки, выталкивая её из пласта и сближая окружающие клетки. Хотя этот механизм сокращения, похожий на "затягивание шнурка", часто наблюдается в эпителиальных пластах, многие из этих наблюдений были основаны на предположении, что эпителиальный слой — это просто совокупность отдельных клеток. Однако в реальности эти многоклеточные пласты представляют собой высоко сложные структуры с большими вариациями в динамике и плотности клеток.

Чтобы учесть этот уровень сложности, была собрана междисциплинарная команда биологов, инженеров и биофизиков под руководством профессора Бенуа Ладу из MBI и Института Жака Моно и доцента Юсукэ Тояма из MBI. Учёные использовали микрофабрикацию для создания круглых микро-паттернов, которые позволили контролировать рост и плотность эпителиальных пластов. Наблюдая за событиями экструзии в клеточных пластах, выращенных на этих паттернах, с помощью покадровой и тракционно-силовой микроскопии, они обнаружили, что плотность клеток приводит к двум различным режимам экструзии.

• При низкой плотности клетки в ткани динамичны и подвижны. Поскольку они свободно перемещаются, иногда на небольшом участке ткани возникает высокая локальная плотность. Клетки в этой плотной области подвергаются апоптозу, а окружающие апоптотическую клетку клетки коллективно перемещаются к ней и образуют под ней большие плоские выступы — ламеллоподии. Это действие выталкивает апоптотическую клетку из пласта.
• При высокой плотности клетки упакованы слишком плотно, чтобы двигаться, что предотвращает коллективную миграцию и экструзию с помощью ламеллоподий. В этих условиях клетки, окружающие апоптотическую клетку, формируют сократительное кольцо и используют механизм "затягивания шнурка", чтобы выдавить и экструдировать клетку.

Это исследование впервые показало, что существуют два различных механизма для удаления апоптотических клеток из эпителиальных пластов. Выбор между ними определяется плотностью клеток: перемещение клеток и образование ламеллоподий преобладает при низкой плотности, а сокращение по типу "шнурка" — при высокой. Существование этих комплементарных механизмов может быть важно для обеспечения удаления ненужных клеток (например, апоптотических) в разных обстоятельствах для поддержания целостности эпителиального пласта.