ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КЛЕТОК В ОНТОГЕНЕЗЕ лекция 14

Сортировка клеток Клетки « сортируются » в зависимости от их свойств, то есть избирательно. 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). Необходимым условием сортировки являются: определённая степень подвижности клеток ; подвижность мембран 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 вы- пячивания 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 Развитие глаза Миграция клеток нервного гребня : 1 – через передний отдел сомита; 2 – вдоль нервной трубки; 3 –под покровным эпителием 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 Клетки ощущают микроструктуру субстрата и движутся вдоль линий его механического напряжения ( контактное ведение ) Гипотезы дистантных взаимодействий : хемотаксис : мезенхимные клетки способны к амебоидным движениям; контактные взаимодействия : взаимодействие клеток со структурированным субстратом. 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 какого- либо 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 механиче- ского 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); 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 ). Клетки, способные к слипанию в наибольшей степени, занимают в смешанном конгломерате центральное положение, а клетки с низкой способностью к адгезии оказываются на периферии.

Взаимодействия между клеточными поверхностями (1) Молекулы клеточной адгезии (cell adhesion molecules, CAM) (МКА) : кадгерины : Са 2+ -зависимые гликопротеины (N-, Е-, P-кадгерины) с тремя главными доменами: внеклеточный, трансмембраный и цитоплазматический; иммуноглобулиновое сверхсемейство МКА : Са 2+ -независимые глико- протеины (N-CAM, L-CAM, Ng-CAM), структурно схожие с иммуноглобулинами ( N- МКА 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) 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. 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.

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).

Взаимодействия между клеточными поверхностями (6) Молекулы клеточных контактов : плотные контакты ; десмосомы ; щелевые контакты ;

Секреция сигнальных молекул (1) Тирозин-киназные рецепторы : Деление клеток и рост органов и тканей контролируется взаимодействием стимулирующих и подавляющих рост веществ.

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 G 0 в фазу G 1 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: 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, ТАТА- связывающего 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); Материнско-зиготический переход ( maternal-zygotic transition, MZT ): процесс замены зародышем материнских мРНК на свои собственные. 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: 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.