Двойная жизнь клеточного «клея»: ученые раскрыли новую функцию белка
Белок E-кадгерин, который помогает клеткам соединяться друг с другом, оказался участником еще одного важного процесса — удаления погибших клеток. Исследователи обнаружили, что эпителий может поглощать их, одновременно сохраняя целостность защитного слоя ткани. Как работает эта система, почему для нее важна гибкость клеток и что открытие может дать для изучения воспаления — в материале «Известий».
Зачем тканям убирать погибшие клетки
Гибель клеток сама по себе не обязательно означает болезнь. Один из ее вариантов — апоптоз, или программируемая клеточная смерть. Это последовательность молекулярных событий, с помощью которой организм избавляется от ненужных или аномальных клеток.
Однако завершить жизнь клетки и удалить ее из ткани — разные задачи. Погибший материал нужно своевременно убрать. Если этого не происходит, клетки могут разрушаться и высвобождать свое содержимое, способствуя воспалению.
С поглощением и удалением клеточных остатков обычно связывают работу фагоцитов — в частности, специализированных клеток иммунной системы. Но участвовать в такой очистке способны и клетки эпителия. Они образуют поверхностные слои тканей, в том числе покрывают кожу и выстилают кишечник и дыхательные пути.
Для них возникает дополнительная сложность. Эпителиальная клетка остается частью общего защитного слоя: ей нужно захватить погибшего соседа и при этом сохранить связи с окружающей тканью. Именно то, как она совмещает эти действия, изучала группа под руководством Верены Рупрехт.
Что делает клеточный «клей»
В центре работы оказался комплекс E-кадгерина — система из самого белка и трех его партнеров. В обычных межклеточных контактах E-кадгерин на поверхности одной клетки взаимодействует с таким же белком на соседней. Вместе с другими компонентами комплекса он помогает поддерживать сцепление клеток и механическую устойчивость ткани.
Поэтому в популярном описании его называют клеточным «клеем». Однако это сравнение передает только часть работы молекулярной системы. Наблюдения за живыми эмбрионами показали, что комплекс собирается и там, где эпителиальная клетка контактирует с погибшей клеткой, которую предстоит поглотить.
«Нас заинтересовало то, что эпителиальные клетки используют свой молекулярный аппарат сцепления — «клей», который обычно удерживает их вместе, — для поглощения погибающих клеток», — рассказала старший автор исследования, профессор-исследователь ICREA Верена Рупрехт в сообщении CRG.
Таким образом, одни и те же молекулярные компоненты участвуют в двух разных действиях: поддерживают связи между живыми клетками и помогают ткани удалять погибший материал.
Как ученые проверили новую функцию белка
Сначала исследователи рассмотрели наиболее очевидное объяснение. Возможно, эпителий захватывает погибшую клетку с помощью такого же взаимодействия E-кадгерина, которое соединяет живых соседей. В таком случае белок должен был бы присутствовать с обеих сторон контакта.
Чтобы проверить эту гипотезу, ткани предложили погибающие клетки, лишенные E-кадгерина. Их удаление происходило столь же эффективно, как и в случае обычных погибающих клеток. Значит, наличие этого белка на самой поглощаемой клетке не было обязательным условием.
Затем ученые использовали искусственные липидные объекты, не содержавшие белков. На их поверхности присутствовал сигнал, характерный для погибающих клеток. Эпителиальные клетки поглощали и такие объекты.
Эти эксперименты помогли отделить новую функцию комплекса от привычного сцепления двух клеток. При этом они не означают, что E-кадгерин сам распознает сигнал гибели. Исследование показывает его участие в механической организации поглощения — способности клетки изменить форму и приложить необходимые усилия.
Как клетка меняет форму, не нарушая барьер
Чтобы поглотить крупный объект, клетка должна вытянуть участки своей поверхности, обхватить его и постепенно заключить внутрь. Для отдельной подвижной клетки это одна механическая задача. Для клетки, встроенной в плотный эпителиальный слой, — другая: значительные изменения формы не должны нарушить целостность ткани.
Съемка живых эмбрионов позволила увидеть, как решается эта проблема. Противоположные стороны одной эпителиальной клетки ведут себя по-разному. Ее нижняя, или базальная, поверхность активно деформируется и охватывает погибшую клетку. Верхняя, или апикальная, сторона при этом остается относительно стабильной.
В зависимости от ткани апикальная поверхность может быть обращена к внешней среде или к просвету органа. Именно на этой стороне важно сохранять непрерывность защитного слоя. Измерения до, во время и после поглощения показали, что площадь верхней поверхности менялась незначительно, тогда как нижняя заметно перестраивалась.
Рупрехт сравнила этот процесс с рядом танцоров, которые держатся за руки. Их верхняя часть тела остается устойчивой, а ноги выполняют все более сложные движения. Так и клетка может активно работать одной стороной, сохраняя положение и связи другой.
Наблюдение объясняет, почему поглощение погибшего материала не требует полного изменения формы клетки или ее выхода из общего слоя. Разные участки ее поверхности способны выполнять разные механические задачи одновременно.
Зачем поглощению нужны «трос» и «тормоз»
Исследователи также выяснили, какие компоненты комплекса позволяют клетке выполнить эту работу. Одним из ключевых участников оказался альфа-катенин. Он связывает молекулярный комплекс с актиновым цитоскелетом — внутренней системой белковых нитей, участвующей в движении и изменении формы клетки.
В образном описании авторов альфа-катенин работает как «трос»: передает усилие, необходимое для охватывания поглощаемого объекта. Когда клетку лишали этого белка или его участка, обеспечивающего связь с актином, поглощение нарушалось.
Другой компонент, p120-катенин, выполняет роль «тормоза». Он ограничивает активность миозина II — белка, участвующего в клеточном сокращении. Оказалось, что для успешного удаления погибших клеток важно не только создать усилие, но и удержать его в подходящих пределах.
Без такого контроля нижняя поверхность клетки становилась чрезмерно напряженной и очистка ухудшалась. Более того, авторы показали, что снижение активности миозина II могло восстановить поглощение, нарушенное при вмешательстве в работу p120-катенина.
Это один из наиболее показательных результатов работы. Более сильное сокращение не обязательно помогает клетке справиться с задачей. Чтобы обернуться вокруг крупного объекта, ей нужны и передача усилия, и способность достаточно свободно менять форму.
Почему опыты проводили на эмбрионах
Основные наблюдения ученые провели на эмбрионах рыб данио-рерио. Эти модели позволяют подробно следить за поведением живых клеток и тканей с помощью микроскопии. Исследователи могли видеть не только итог поглощения, но и последовательность движений, которая к нему приводит.
Затем команда проверила участие E-кадгерина в ранних эмбрионах мышей. Когда его работу блокировали, погибающие клетки оставались неудаленными. Результат согласуется с наблюдениями у рыб и указывает на сходство механизма у двух групп позвоночных.
Работа продолжает более ранние исследования команды Рупрехт, посвященные совместному удалению погибающих клеток эпителием эмбриона. Такая активность представляет собой форму ранней врожденной защиты.
Однако наличие сходного процесса у рыб и мышей еще не отвечает на вопрос о его работе во взрослом организме. Условия в развивающемся эмбрионе отличаются от условий в зрелой ткани. Поэтому следующий этап — выяснить, где еще используется именно эта система с участием E-кадгерина.
Что открытие может дать для изучения воспаления
У эпителиальных клеток взрослых организмов уже известна способность удалять погибший материал — например, в сетчатке, толстой кишке, дыхательных путях и молочной железе. E-кадгерин также широко представлен в эпителии, а его структура мало изменилась в ходе эволюции. Это дает основания проверить, участвует ли описанный механизм в очистке таких тканей.
Пока ученые не установили, работает ли он у взрослых рыб и мышей или в каких-либо тканях человека. Исследование также не проверяло лечение воспалительных заболеваний. Его значение на этом этапе заключается в объяснении того, как устроен один из процессов удаления погибших клеток.
Для изучения воспаления это существенный вопрос. Если клеточные остатки задерживаются в ткани и разрушаются, их содержимое может поддерживать воспалительную реакцию. Чтобы понять причины сбоя, нужно исследовать не только сигналы распознавания погибшей клетки, но и физическую способность ее поглотить.
«Изучение механизмов эффективного удаления погибающих клеток из тканей имеет большое значение для здоровья человека», — подчеркнула Рупрехт.
