Клітини організму спілкуються за допомогою послань, запакованих у мікровезикули • Тетяна Романовська •
Організм є інтегрованим співтовариством диференційованих клітин. Їхнє злагоджене функціонування забезпечується завдяки складній системі міжклітинної комунікації. Комунікація передбачає виробництво сигналів одними клітинами, їх сприйняття іншими клітинами, і навіть адекватну їх інтерпретацію і реакцію ці сигнали завдяки наявності внутрішньоклітинних сигнальних шляхів. Несподівані можливості, що виводять міжклітинну комунікацію на якісно новий рівень, виявилися при дослідженні функціональної ролі мікровезикул - мембранних бульбашок, що повсюдно зустрічаються в рідких середовищах організму і донедавна вважалися лише побічним продуктом життєдіяльності клітин.
Багатоклітинний організм, який здійснює свою життєдіяльність як єдине ціле, в той же час є складним співтовариством з клітин, що утворюють його, мають певну автономність. Клітини можна як конструктивні елементи організму, призначені забезпечити правильну його роботу як цілого. Зрештою, кожній клітині вигідно та зручно жити у складі спільноти собі подібних. Можна сказати, що в якомусь сенсі всі клітини організму працюють на підтримку кожної індивідуальної клітини.
За такого погляду виникає спокуса провести паралелі з людським суспільством. Кожен член цього суспільства виконує певну функцію (подібно клітинам тих чи інших тканин організму), будучи при цьому аж ніяк не самодостатнім, а отже, що потребує підтримки з боку всіх інших членів того ж суспільства (організму). Складність організму, як і складність людського суспільства, визначається ступенем різноякісності,диференційованості складових його клітин, чи членів. Злагоджена діяльність індивідуальних членів диференційованого суспільства потребує існування складних систем комунікації, які дозволяють взаємно координувати цю діяльність. Саме існування різноманітних способів взаємної координації забезпечує як суспільство загалом, і кожного окремого його члена можливістю адаптуватися до мінливих умов середовища. Наприклад, під час епідемії грипу хворий (скажімо, робітник фармацевтичного заводу) звертається до лікаря, здатного поставити діагноз та призначити правильне лікування. Лікарі спонукають постачальників фармпрепаратів забезпечити аптеки відповідними ліками, постачальники роблять замовлення відповідним фармацевтичним заводам тощо.
В організмі також існують різноманітні системи комунікацій, що забезпечують взаємне координування діяльності клітин та тканин при адаптації до тих чи інших змін середовища. Широко відомі та загальновизнані: 1) комунікація за допомогою секретованих молекул (таких як гормони, ростові фактори, нейротрансмітери) та рецепторів до них та 2) комунікація за допомогою міжклітинних контактів (адгезійних молекул і рецепторів до них).
Обидва ці механізми передбачають взаємодію між сигнальною молекулою і сполучною молекулою-рецептором, яка повинна опосередковувати запуск певного ланцюжка послідовних реакцій (signal-transduction chain) відповідно до генетично обумовленої програми. Такий тип комунікації можна уподібнити до віддачі/прийому команди, що передбачає реакцію у вигляді стереотипного набору дій (нехай навіть дуже складного). Так, підвищення в крові концентрації інсуліну, що виділяється клітинами підшлункової залози, означає для м'язової та жирової тканин команду до відкачування з кровіглюкози, для клітин печінки – команду до активації синтезу глікогену, тощо.
Чи завжди такого типу комунікації буде достатньо для самопідтримання організму в складному, мінливому та часто непередбачуваному середовищі? Повертаючись до аналогії із суспільством, можна припустити, що не завжди. Зокрема, такий механізм не передбачає можливості пошуку та поширення серед собі подібних принципово нового ефективного рішення за необхідності адаптації до несподіваних стресових факторів.
Що може бути альтернативою клітин організму? Теоретично, клітини могли б віддавати один одному більш конкретні та детальні інструкції, передаючи та приймаючи безпосередньо інформаційні молекули, якими є мРНК, а також різноманітні молекули – регулятори метаболізму та активності генів, зокрема транскрипційні фактори, ферменти та мікроРНК.
Серед відомих типів міжклітинної комунікації, які передбачають такий обмін великими молекулами і навіть цілими органелами, можна назвати щілинні контакти, що формуються між клітинами епітелію. Але чи можливе подібне спілкування між клітинами, що знаходяться на відстані одна від одної або навіть відносяться до різних типів тканин? Автори статті, що обговорюється, відповідають ствердно.
В останні 10 років увагу вчених було привернуто до виявлених у різноманітних біологічних рідинах (включаючи плазму крові, міжклітинну рідину, плевральну рідину та ін) мембранним везикулам розміром від 30 нм до 1-4 мкм. Про їхнє існування взагалі було відомо давно, але аж донедавна їх розглядали як клітинний дебрис — побічний продукт апоптозу, який не несе функціонального навантаження. Однак дослідження останніх років показали, що такі структури (згадані в різних джерелах як«мікровезикули», «мікрочастинки», «ектосоми» і «екзосоми») випускаються нормальними, життєздатними клітинами різних тканин організму. В одних випадках їх виготовляє зовнішня мембрана клітини, що утворює випинання («ектосоми», d = 0,1–4 мкм), в інших випадках вони вивільняються шляхом екзоцитозу з мультивезикулярних тілець, що утворюються з ендоцитозних бульбашок («екзосоми», d = 30– 100 нм). При цьому продукція мікровезикул посилюється при патології тканини in vivo та при стресовому впливі на клітини in vitro.
Під патологією тканини маються на увазі різноманітні запальні процеси, викликані інфекцією або чимось ще, злоякісні пухлини і т. п. Наприклад, при захворюваннях нирок у крові і навіть у сечі будуть виявлятися мікровезикули, вміст яких при аналізі на білки та РНК вкаже на те, що вони були «вислані» саме тканиною нирок (начебто вони надсилають заклик про допомогу). У нормі таких мікровезикул виявлятиметься набагато менше, і склад їхнього вмісту буде дещо іншим.
Особливістю цих структур є експонування на зовнішній поверхні фосфатидилсерину. Аналіз вмісту мікровезикул показав, що вони включають цілі молекули мРНК, білки, регуляторні мікроРНК, а в їх мембрану вбудовані рецепторні білки. Конкретний склад залежить від тканини, що виробляє мікровезикули, та від функціонального стану цієї тканини. Існує база даних (див. ExoCarta), що описує білки та РНК, які виявляються в мікровезикулах різного походження. З'ясувалося, що виробництво клітинами мікровезикул енерговитратне, регульоване (зокрема, залежить від надходження до клітин іонів кальцію) та потребує участі спеціальних білкових молекул. Очевидно, має місце сортування молекул, укладених у мікровезикули, оскільки їх концентрації такількісні співвідношення у цитоплазмі клітин та у вироблених клітинами мікровезикулах не еквівалентні один одному. Можна припустити, що частина молекул РНК виробляється виключно експорту, оскільки вони майже повністю виявляються сконцентровані в микровезикулах.
Всі ці факти наштовхують на припущення, що ці структури виконують функціональну роль, пов'язану з міжклітинною комунікацією. За своєю формою та змістом вони дуже нагадують ліпосоми, які використовуються в генній інженерії для доставки в клітини тих чи інших молекул. Щоб підтвердити можливість впливу тканин одна на одну, опосередкованої мікровезикулами, вчені поставили наступний експеримент. Миші зазнавали опромінення 500 сГр (сантигрей), стимулюючи таким чином стресову реакцію. Потім тканини легень, мозку, печінки та серця опромінених мишей переводили в культуру на штучне живильне середовище. Після тижневого культивування клітини відокремлювали, а отримане кондиційне середовище використовували у подальшій роботі.
З кондиційного середовища виділяли мікровезикули (центрифугуванням з прискоренням 100000g протягом 1 години при температурі 4°), які потім відмивали і ресуспендували в поживному середовищі, використовуючи отриману суспензію як середовище для культивування клітин кісткового мозку. Склад РНК у клітинах кісткового мозку проводили через тиждень культивування в присутності або відсутність мікровезикул.
У частині експериментів мікровезикули піддавалися попередньому подвійному фарбуванню - зеленим флуоресцентним барвником CFSE і червоним PKH26, що використовуються відповідно для фарбування цитоплазматичної компоненти та мембран таких частинок. Це дозволило з'ясувати, як часто відбувається включення мікровезикул до клітин, що сокультивуються. Подвійнефарбування виявлялося у 2,5% культивованих з мікровезикул клітин кісткового мозку. У той самий час, якщо кістковий мозок замінювався культуру мієлоїдних чи лімфоїдних клітин, відсоток клітин з подвійним фарбуванням становив відповідно 27% і 0,7%.
Все це говорить про те, що пошкоджені тканини, мабуть, можуть стимулювати в стовбурових клітинах кісткового мозку певний напрямок диференціювання, здатне забезпечити регенерацію цих тканин та відновлення функціонального стану організму.
У той же час ці дані наштовхують на думки про дарвінівські геммули, які нерідко згадуються Олександром Марковим, здатні нібито переносити спадкові фактори від соматичних клітин до генеративних. Марков вказує на можливість такого роду перенесення генетичного матеріалу за допомогою вірусних частинок, здатних із деякою частотою проникати у генеративні тканини. Очевидно, організм і сам володіє достатнім набором інструментів для здійснення контрольованого перенесення генетичної інформації від одних клітин до інших. Якщо врахувати існування таких гнучко керованих систем багатоклітинного організму, як 1) перенесення між клітинами мікровезикул, що містять РНК-копії різних генів (які в соматичних клітинах можуть набувати будь-які мутації), 2) зворотна транскрипція та 3) рекомбінація генетичного матеріалу в генеративних клітинах , то процес «усвідомленого» перенесення нових варіантів генів із соматичних клітин у генеративні бачиться не такою вже неймовірною подією, як це здавалося раніше.
Див. також:1) Bénédicte Hugel, M. Carmen Martínez, Corinne Kunzelmann, Jean-Marie Freyssinet. Membrane Microparticles: Two Sides of the Coin (текст доступний повністю) //Physiology. V. 20. No.1. P. 22-27. February 2005. 2) Jason M. Aliotta, Fermin M. Sanchez-Guijo, та ін. Зображення з Marrow Cell Gene Expression, Protein Production, і Нанесення в Lung-Derived Microvesicles: A Novel Mechanism for Phenotype Modulation (текст доступний повністю) //Stem Cells. V. 25. Issue 9. P. 2245-2256. September 2007