Стресс-волокна помогают клеткам сохранять форму во время развития и могут регулировать их размер
Во время развития организмов механические силы оказывают давление на их клетки. Учёные давно задавались вопросом, как клетки сохраняют свою форму — и, следовательно, остаются здоровыми — в этом процессе.
Новое исследование под руководством физика из Мичиганского университета впервые показало, что клетки используют крошечные волокна, называемые апикальными стресс-волокнами, чтобы сохранять свою форму во время развития. Кроме того, эти волокна помогают клетке понимать свой собственный размер и запускать процесс деления.
Дэвид Любенски, профессор физики и биофизики, и его коллеги из Мичиганского университета, Института Кюри Парижского университета наук и литературы и Сорбонны изучали эпителиальные клетки в дорсальной части грудного отдела (нижней части спины) куколок плодовой мушки (Drosophila). Эпителиальные клетки составляют поверхности в организме — кожу, кровеносные сосуды и внутренние органы.
Исследователи обнаружили, что по мере развития куколки растущее тело мушки растягивает клетки в области её спины. В ответ на эти силы клетки производят стресс-волокна, чтобы сохранить свою форму. Исследование опубликовано в журнале Science.
«В развитии у вас есть яйцо, и из него нужно сделать мушку. По пути нужно сдвигать и растягивать различные ткани, чтобы они оказались в нужном месте. Всё это радикально меняет форму, а для изменения формы и правильного размещения требуются механические силы», — пояснил Любенски, изучающий физические принципы организации живых систем. «Эти волокна чем-то похожи на арматуру в бетоне, хотя внутренность клетки больше напоминает желе. Но идея та же: эти линейные волокна хорошо сопротивляются натяжению и укрепляют материал, чтобы он не растягивался».
Каждая клетка в развивающемся организме окружена другими клетками; в эпителии такая плотная упаковка придаёт клеткам полигональную или шестиугольную структуру. Место, где встречаются три клетки, называется триклеточным соединением. Каждое такое соединение генерирует стресс-волокна, которые движутся к центру клетки в направлении приложенных к ней сил. Волокна, состоящие в основном из белка актина, разрушаются ближе к середине клетки. Волокна также образуются в соединении напротив первого и также движутся к центру.
Это открытие также проливает свет на то, как количество производимых волокон зависит от размера клетки и как клетка «знает», сколько волокон нужно произвести.
Клетки в эпителиальных тканях образуют плотно связанный непрерывный слой. Границы между эпителиальными клетками почти всегда относительно жёсткие из-за полосы так называемого кортикального актомиозина, связанного с клеточными соединениями. Этот актомиозин, связанный с соединениями, состоит из того же материала, что и стресс-волокна. Когда эпителиальные клетки малы, им нужно меньше волокон, потому что соединения сохраняют клетку довольно жёсткой. Но по мере увеличения клетки её более мягкая середина также становится больше, требуя больше волокон, чтобы клетка не деформировалась.
«Это чистый пример в биологии того, как нечто регулирует свои механические свойства в зависимости от размера», — сказал Любенски.
Работа также показала, как эти волокна могут помогать клетке контролировать свой размер. Более крупные клетки с большей вероятностью делятся, чтобы избежать деформации. Любенски изучил механическую функцию волокон, а также то, как клетки «знают», сколько волокон производить. Он обнаружил, что клетка использует взаимосвязь между триклеточными соединениями и площадью клетки, чтобы масштабировать количество волокон в соответствии с её площадью.
Исследователи также обнаружили, что эти волокна регулируют путь передачи сигнала Hippo/YAP, известный своей ролью в контроле роста клеток. Команда показала, что компоненты этого пути скапливаются на концах волокна, что влияет на его активность.
«Путь Hippo/YAP очень важен в биологии, потому что он связан со многими процессами, включая рак, восстановление и регенерацию тканей», — сказал Любенски. «Это открытие показывает, что мы нашли новый способ, которым клетки регулируют путь Hippo/YAP, и делают они это размер-зависимым образом».
В дальнейшем исследователи надеются понять систему на более детальном молекулярном уровне, в том числе выяснить, почему эти волокна рождаются в определённых соединениях и разрушаются в других. Они надеются, что эти ответы помогут понять, как в биологии регулируется размер.