Удлинение за счёт сокращения: тянущие силы управляют изменением формы клеток

Учёные из Института механобиологии (MBI) Национального университета Сингапура (NUS) открыли новый механизм удлинения клеточной границы. Удлинение и сокращение этой границы необходимо для направленного изменения формы клеток, что требуется для правильного развития тканей и органов. Исследование опубликовано в Current Biology 11 августа 2016 года.

Как сократительные силы удлиняют клеточные границы?

Во время развития эмбриона клетки собираются в ткани и органы. Для этого им необходимо расти, делиться и иногда подвергаться запрограммированной гибели. Общее свойство многих этих биологических процессов — деформация клеток, то есть динамическое изменение их формы. С точки зрения механики, эти изменения формы можно описать как сокращение или удлинение клеточной границы. Сокращение границы изучено хорошо: его вызывает сокращение сети белковых филаментов внутри клетки. Два основных компонента этой сократительной сети — актин (структурный белок, формирующий длинные нити) и миозин II (моторный белок, который связывается с актином и использует энергию для скольжения актиновых нитей друг относительно друга). Эта сеть, известная как актомиозин, генерирует сократительную силу в клетках.

Поскольку сокращение актомиозина — это «тянущая» сила, легко представить, как его активность может стягивать клеточные границы, вызывая сокращение. Однако, поскольку актомиозиновая сеть не может создавать противоположную «толкающую» силу, учёные давно искали ответ на вопрос: как удлиняются клеточные границы?

Чтобы ответить на него, исследователи MBI — доцент Юсукэ Тояма (руководитель работы), доктор Юсукэ Хара и г-н Мурат Шагиров — использовали визуализацию живого эмбриона и лазерную хирургию для изучения клеточных границ в развивающемся эмбрионе плодовой мушки (модельная система, имеющая много общего с развитием млекопитающих). Учёные сосредоточились на участке из примерно 200 многоугольных клеток — амниосерозе, которая «застёгивается», чтобы закрыть эмбрион. Динамические деформации этих клеток делают их идеальным объектом для изучения изменений формы.

Тщательное наблюдение и компьютерный анализ показали, что клетки амниосерозы ритмично меняли как площадь (увеличиваясь и уменьшаясь в размере), так и длину границ (удлиняясь и укорачиваясь). Однако эти процессы не были синхронизированы, как можно было бы ожидать: увеличение площади клетки не обязательно означало удлинение всех её границ. Это заставило учёных изучить распределение миозина II в амниосерозе. Они обнаружили, что в клетках, соседних с той, чья граница удлинялась, уровень миозина II повышался. Нарушение работы миозина II в этих соседних клетках с помощью лазера останавливало удлинение границы. Это доказало, что миозин II в соседних клетках активно удлиняет клеточную границу, стягивая её концы, подобно растягиванию резинки пальцами.

Исследование показало, что актомиозиновые сети отвечают как за сокращение, так и за удлинение клеточной границы. Сократительная активность актомиозина внутри клетки приводит к сокращению её границы. Однако именно активность актомиозиновой сети в окружающих клетках вызывает удлинение границы. Это говорит о том, что удлинение клеточной границы в ткани — не процесс одной клетки, а процесс, требующий помощи соседей. Понимание того, как актомиозиновые сети соседних клеток кооперируются для управления изменениями формы, будет бесценно для расшифровки многих биологических процессов: развития тканей, специализации органов и заживления ран.