Взаимодействие клеток в онтогенезе.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
КЛЕТОК В
ОНТОГЕНЕЗЕ
лекция 14
Сортировка клеток
Клетки «сортируются» в зависимости от их свойств, то есть избирательно.
Необходимым
условием
сортировки
являются:
• определённая
степень
подвижности
клеток;
• подвижность
мембран клеток.
P. Townes и J. Holtfreter (1955): диссоциация клеток зародыша тритона:
• бластомеры первоначально представляют беспорядочную смесь клеток;
• в последующем происходит их рассортировка;
• клетки эктодермы, мезодермы и энтодермы разделяются (сегрегируют) и
собираются в отдельные группы (агрегат из однородных клеток).
Сортировка клеток: механизмы
Вновь образующиеся зародышевые листки располагаются в обычном для них
порядке (избирательное сродство) по отношению друг к другу.
В процессе развития
способность клеток к
избирательному слипанию
меняется.
Гипотезы избирательной
сортировки:
• контакты между подобными
клетками одного зародышевого
листка сильнее, чем между
чужеродными (различия в
поверхностном заряде их мембран);
• контактные взаимодействия между
одинаковыми клетками
основываются на антигенных
свойствах их мембран.
Рассортировка и реорганизация в
агрегатах клеток амфибий
Миграция клеток
• клетки мезенхимного типа наиболее
подвижны, не образуют между собой
стойких контактов, мигрируют одиночно
и/или группами (клетки нервного гребня,
первичные половые клетки);
• клетки эпителиев плотно прилегают
друг к другу боковыми стенками, имеют
апикальную и базальную поверхности,
мигрируют согласованно, пластом
(изгибы клеточных пластов путем выпячивания или впячивания, отшнуровка,
образование плакод (утолщений)).
Миграция ППК у
млекопитающих:
5 – кишка; 6 – желточный
мешок; 7 – клоака;
8 – дорсальная брыжейка;
9 – половой гребень;
10 – мезонефрос
Миграция клеток
нервного гребня:
1 – через передний
отдел сомита;
2 – вдоль нервной
трубки;
3 –под покровным
эпителием
Развитие
глаза
1 – стенка переднего мозга; 2 – эктодермальный эпителий; 3 – глазной пузырь; 4 – хрусталиковая
плакода; 5 – глазной стебелёк; 6 – хрусталиковый пузырёк; 7 – пигментный слой; 8 – нейральный слой;
9 – хрусталик; 10 – зрительный нерв
Миграция клеток: механизмы
Гипотезы дистантных взаимодействий:
• хемотаксис: мезенхимные клетки
способны к амебоидным движениям;
• контактные взаимодействия:
взаимодействие клеток со
структурированным субстратом.
Клетки ощущают микроструктуру
субстрата и движутся вдоль
линий его механического
напряжения (контактное
ведение)
Субстратом для движения может быть и соседняя клетка, если её мембрана
находится в натянутом состоянии, а поскольку поверхность направленно
движущейся клетки сама вытягивается, то и она, в свою очередь, может
служить субстратом для движения и поляризации следующей за ней клетки.
Способы миграция клеток (1)
Перемещения на дальние расстояния:
• хемотаксис: движение клеток в
направлении градиента концентрации какоголибо химического фактора, содержащегося в
среде инкубации;
• гаптотаксис: перемещение клетки по
градиенту концентрации адгезионной
молекулы, расположенной во внеклеточном
матриксе;
• гальванотаксис: влияние электрических
токов на морфогенез, из-за создания
разности потенциалов между отдельными
частями зародыша;
• контактное ориентирование:
обусловлено физическими свойствами
субстрата, по которому происходит
перемещение клеток (вдоль линий механического напряжения субстрата или параллельно
упорядоченному ходу его волокон
Способы миграция клеток (2)
Ближние взаимодействия:
• контактное ингибирование: характерно для мигрирующих клеток
мезенхимы, движущихся путем вытягивания ламеллоподий (при их контакте с
поверхностью другой клетки, наблюдается исчезновение этой ламеллоподии и
формирование ее в какой-либо другой части клетки, что уводит её в сторону от
своей временной соседки – перемещение клеток от их центральной массы).
Способы миграция
клеток (3)
Ближние взаимодействия:
• термодинамическая модель клеточных взаимодействий: формирование
клеточных агрегатов с наименьшей свободной энергией поверхности клеток
(наиболее стабильными в термодинамическом отношении);
Клетки, способные к слипанию в
наибольшей степени, занимают в
смешанном конгломерате
центральное положение, а клетки с
низкой способностью к адгезии
оказываются на периферии.
Позволяет объяснить рассортировку
клеток: разная сила адгезии образующих
конгломерат клеток, вследствие различий
количества молекул адгезии на
поверхности клеточных мембран или
использования разных типов адгезионных
молекул (гипотеза дифференциальной
адгезии).
Взаимодействия между клеточными
поверхностями (1)
Молекулы клеточной адгезии (cell adhesion molecules, CAM) (МКА):
• кадгерины: Са2+-зависимые гликопротеины (N-, Е-, P-кадгерины) с тремя
главными доменами: внеклеточный, трансмембраный и цитоплазматический;
• иммуноглобулиновое сверхсемейство МКА: Са2+-независимые гликопротеины (N-CAM, L-CAM, Ng-CAM), структурно схожие с иммуноглобулинами ( NМКА могут выполнять различные функции в зависимости от содержания в них
остатков сиаловой кислоты: при низком их содержании клеточная адгезия
стимулируется, при повышении – клеточная адгезия подавляется);
Взаимодействия между клеточными
поверхностями (2)
Молекулы клеточной адгезии (cell adhesion molecules, CAM) (МКА):
• сахаридные МКА: гликозилтрансферазы, способные узнавать углеводные
остатки на соседних молекулах (по типу «ключ–замок»). Если таких углеводных
субстратов много – прочная адгезия, а если субстратов мало – миграция
вдоль линии клеток или базальной мембраны (по мере продвижения клетки
молекулярные мостики «субстрат–фермент» разрушаются);
Взаимодействия между клеточными
поверхностями (4)
Внеклеточный матрикс – это содержащиеся в интерстиции макромолекулы
с выраженными адгезионными свойствами, обусловливающие взаимодействие
между клетками и их окружением:
• в одних случаях разделяет соседние группы клеток и препятствует
взаимодействию между ними;
• в других может служить подложкой для миграции клеток или даже
индуцировать дифференцировку.
Молекулы адгезии клеток к субстрату:
• коллаген: рыхло расположенные в межклеточном матриксе волокна, и волокна
в составе базальной пластинки;
• фибронектин: связующая молекула между мигрирующей клеткой и
компонентами внеклеточного матрикса;
• ламинин: основной компонент базальной пластинки, связывает мигрирующие
клетки (эпителиальные и нейроны) с компонентами внеклеточного матрикса;
• тенасцин: до половины своей длины представлен фибронектином, помимо
создания субстрата для миграции, стимулирует секрецию протеаз в клетках.
Взаимодействия между клеточными
поверхностями (5)
Белки клеток (рецепторы молекул внеклеточного матрикса):
• синдекан: обнаружен в мембране эпителиальных клеток в месте их контакта с
базальной пластинкой, способен образовывать связи с фибронектином и
коллагеном;
• интегрины: рецепторный комплекс, пронизывает насквозь клеточную
мембрану, не только связывает молекулы внеклеточного матрикса снаружи
клетки, но и белки цитоскелета внутри (место заякоривания актиновых
микрофибрилл).
Молекулы клеточных
контактов:
• плотные контакты;
• десмосомы;
• щелевые контакты;
Взаимодействия между
клеточными поверхностями (6)
Секреция сигнальных молекул (1)
Деление клеток и рост органов и тканей контролируется взаимодействием
стимулирующих и подавляющих рост веществ.
Тирозин-киназные рецепторы:
Активация RAS-белка
Секреция сигнальных молекул (2)
Факторы роста:
• фактор роста тромбоцитов: стимулирует деление гладкомышечных клеток,
фибробластов, глиальных клеток;
• эпидермальный фактор роста: стимулирует клеточные деления во многих
тканях, преимущественно в эпителии молочной железы и эпидермисе;
• фактор роста фибробластов: семейство родственных по химической
структуре соединений: соматотропин, соматомедины, инсулин, лактоген, фактор
роста нервов;
Стимулирующие рост клеток факторы:
• β-интерферон: блокирует переход клетки из фазы G0 в фазу G1 или
задерживает клетки перед вступлением в S фазу;
• трансформирующий фактор роста: тормозит рост многих типов
эпителиальных клеток, лимфоцитов, но служит истинным фактором роста для
фибробластов и эмбриональных эндотелиальных клеток;
Регуляция клеточного роста: митоз может быть остановлен прежде, чем
клетки перейдут границы генетически определенной дифференцировки.
Генетический контроль развития:
Материнско-зиготический переход (maternal-zygotic transition, MZT):
процесс замены зародышем материнских мРНК на свои собственные.
Почему происходит MZT?
• по мере роста числа клеток в зародыше начинает не хватать тех веществ
(что бы они из себя не представляли), которые не позволяют генам зародыша
включиться (общее количество цитоплазмы не растет, тогда как количество ДНК
увеличивается в геометрической прогрессии);
• не исключено, что в зиготе изначально имеет место целенаправленное
блокирование некоторых ключевых генов, работа которых инициирует
транскрипцию (введение в эмбрион мощных активаторов транскрипции, ТАТАсвязывающего белка (ТАТА-binding protein, ТВР) может вызвать
преждевременное частичное включение эмбрионального генома);
• сама по себе быстрая череда клеточных делений может мешать
транскрипции (репликация мешает транскрипции, а во время митоза может
происходить обрыв и уничтожение мРНК, синтез которых еще не закончился);
• Эмбриональные гены включаются постепенно;
• Гены включаются в строго определенном порядке;
• Единичные гены могут быть включены очень рано.
Дополнительная литература по теме:
• Gastrulation: From Cell to Embrio.
Edited By Claudio D. Stern, University College London.
Electronic resource: http:// www.gastrulation.org
The web site provides supplementary data and movies to
accompany the chapters in the book.
• EDWARD B. LEWIS THE BITHORAX COMPLEX: THE FIRST FIFTY YEARS
Nobel Lecture, December 8, 1995.