Деление клеток сопровождается изменениями в межклеточных соединениях

13-14

13-16

13-15

13.3.4. Для пролиферации клеток разного типа требуются разные факторы роста [19, 20]

Условия, при которых клетка будет расти и делиться, для животной клетки значительно сложнее, чем для дрожжевой. Если клетки позвоночных в стандартной искусственной культуральной среде полностью лишить кровяной сыворотки, то они в большинстве случаев не смогут проходить точку рестрикции, даже если в среде имеются все необходимые питательные вещества; при этом они перестанут также и расти. Анализы показывают, что незаменимыми компонентами сыворотки являются высокоспецифичные белки, присутствующие в очень малых концентрациях (порядка 10-9 - 10-11 М). Клеткам разного типа необходимы разные наборы таких белков. Некоторые из белков сыворотки прямо и специфически участвуют в стимуляции клеточного деления, и их называют факторами роста. Таков, например, тромбоцитарный фактор роста, или PDGF

(plateled-derived growth factor). Способ его выделения был подсказан тем фактом, что культивируемые фибробласты делятся при наличии в среде сыворотки, но не делятся в присутствии плазмы-

Рис. 13-25. Эта схема показывает, что быстро делящиеся клетки млекопитающих в культуре задерживаются на какое-то время в поздней фазе G1 в точке, которая, возможно, соответствует точке рестрикции (R). Если белковый синтез блокирован, то они могут оставаться в этой точке неопределенно долгое время. Непрерывное наблюдение над клетками под микроскопом показывает, что генетически идентичные клетки, в том числе и две дочерние клетки - продукты одного деления - часто задерживаются на разное время перед прохождением точки R. Это позволяет думать, что задержка обусловлена каким-то случайным процессом (см. текст).

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-26. Предполагаемая роль тромбоцитарного фактора роста (PDGF) в заживлении ран. PDGF секретируется в поврежденном участке кровяными пластинками и макрофагами, а также, возможно, эндотелиальными и гладкомышечными клетками пораненных кровеносных сосудов. Он вызывает пролиферацию фибробластов и клеток гладкой мускулатуры, стимулирует фибробласты к дополнительной выработке внеклеточного матрикса и хемотаксически привлекает фибробласты и макрофаги. Заживление - сложный процесс, в котором наряду с PDGF участвуют и многие другие факторы.

жидкого компонента крови, который получают, удаляя кровяные клетки, но не позволяя крови свертываться. При свертывании крови тромбоциты (разд. 17.5) начинают высвобождать содержимое своих секреторных пузырьков, и среди высвобождаемых веществ (наряду с факторами, вызывающими свертывание) оказывается PDGF. В основном именно он делает возможным деление фибробластов в культуре. По-видимому, PDGF обладает таким же действием и в организме, где он стимулирует клетки соединительной ткани и гладкой мускулатуры к делению при заживлении ран (рис. 13-26). Клетки, реагирующие на PDGF, имеют на своей плазматической мембране специальные рецепторы для него (и для некоторых других факторов роста). У клеток иных типов имеются другие наборы рецепторов, взаимодействующие с другими факторами роста (табл. 13-1);

некоторые из этих факторов тоже содержатся в сыворотке.

Поскольку факторы роста секретируются в малых количествах, их трудно выделять. Эта трудность усугубляется сложностью их действия, так как большинство типов клеток, видимо, реагирует на специфическую комбинацию факторов роста, а не на какой-то один специфический фактор. Хотя до сих пор было охарактеризовано сравнительно немного различных факторов роста (меньше 30), многие из них повторно находили в других условиях и давали им другие названия - только позднее выяснялось, что это были уже известные молекулы. Из этого, возможно, следует, что имеется лишь небольшое число факторов роста, которые, действуя в разных комбинациях, избирательно регулируют пролиферацию каждого из многочисленных типов клеток высших животных; и становится ясно, что те же самые факторы действуют в определенных условиях как регуляторы других процессов, в особенности процессов клеточной дифференцировки. Некоторые факторы роста циркулируют в крови, но большинство действует как локальные химические медиаторы. Класс локальных химических медиаторов, возможно, включает и большое число еще плохо изученных факторов, помогающих регулировать деление и дифференцировку клеток в процесе развития организма (разд. 16.2.3). В дополнение к факторам роста, стимулирующим клеточное деление, есть и противоположно действующие факторы, которые его тормозят, хотя по большей части они охарактеризованы менее полно.

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Таблица 13.1. Некоторые факторы роста и их действие
Фактор	Состав Типичные эффекты
Тромбоцитарный фактор роста (PDGF)	АА, AB или ВВ	Стимулирует деление соединительнотканных клеток (разд. 13.3.4) и клеток нейроглии (разд. 16.3.7)
	Цепь А 125 аминокислот
	Цепь В- 160 аминокислот
Фактор роста эпидермиса (ФРЭ, EGF)	53 аминокислоты	Стимулирует деление клеток многих типов (разд. 12.3.13)
Инсулиноподобные факторы роста I и Π (IGF-I и IGF-II)	70 и 73 аминокислоты соответственно	Действует совместно с PDGF и ФРЭ, стимулируют деление жировых и соединительнотканных клеток
Трансформирующий фактор роста Ρ (TGF-P)	Две цепи по 1 12 аминокислот в каждой	Усиливает или подавляет (в зависимости от типа клетки) реакцию большинства клеток на другие ростовые факторы, регулирует дифференциров-ку некоторых клеток (разд. 16.2.3 и 17.7.1)
Фактор роста фибробластов (ФРФ, FGF)	У кислого ФРФ 140 аминокислот, у основного- 146	Стимулирует деление клеток многих типов, включая фибробласты, эндотелиальные клетки (разд. 17.3.7) и миобласты (разд. 17.6.1), индуцирует образование мезодермы у эмбриона Xenopus (разд. 16.2.3)
Интерлейкин-2 (IL-2)	153 аминокислоты	Стимулирует пролиферацию Т-лимфоцитов (разд. 18.6.11)
Фактор роста нервов (ФРН, NEG)	Две цепи по 1 1 8 аминокислот в каждой	Способствует росту аксонов и выживанию симпатических нейронов и некоторых сенсорных и центральных нейронов (разд. 19.7.10)
Факторы роста клеток системы кроветворения (IL-3; GM-CSF, M-CSF; G- CSF, эритропоэтин)	См. табл. 17-2 в разд. 17.5.8

13.3.5. Соседние клетки конкурируют за факторы роста [20, 21]

С помощью таких факторов роста, как PDGF, клетки одного типа могут контролировать пролиферацию клеток другого типа. Но важно и то, что клетки одного и того же типа в ткани взаимодействуют друг с другом и согласовывают скорость деления, чтобы поддерживать надлежащую плотность популяции. «Социальный» контроль такого рода четко проявляется при реакциях на повреждение. Например, когда поврежден эпителий, клетки по краям раны стимулируются к делению (см. рис. 13-23) и наползанию на обнаженную поверхность до тех пор, пока она вновь не будет закрыта; в этот момент быстрая пролиферация и движение клеток прекращаются. Сходное явление можно наблюдать на диссоциированных клетках в культуре. Эпителиальные клетки или фибробласты, помещенные в чашку, в присутствии сыворотки будут «приклеиваться» к поверхности, распластываться и делиться до тех пор, пока не образуется сплошной монослой, в котором соседние клетки соприкасаются. После этого нормальные клетки перестают делиться-явление, известное как торможение пролиферации, зависимое от плотности. Если такой монослой «поранить» иглой таким образом, чтобы на

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-27. Клетки, разбросанные по поверхности культуральной чашки, нормально пролиферируют до тех пор, пока не сольются в непрерывный монослой. На рисунке показана последовательность событий после соскабливания полоски клеток. Клетки по краям «раны»

распластываются и возобновляют рост и деление, продолжающиеся до заполнения разрыва между ними. Когда монослой вновь становится непрерывным, клеточная пролиферация почти полностью прекращается.

чашке образовалась свободная от клеток полоска, клетки с краев этой полоски начинают продвигаться на свободное место и делиться (рис. 13-27).

Вначале такие явления объясняли «контактным торможением» клеточного деления, но это, видимо, не отражает сути дела. Плотность клеточной популяции, при которой клетки в сплошном монослое перестают делиться, увеличивается с повышением концентрации факторов роста в среде. Кроме того, оказалось, что если культуральная жидкость будет протекать по поверхности чашки с островками клеток, то клетки, омываемые средой, только что прошедшей над другими клетками, будут делиться медленнее, чем те, которые омываются средой, прошедшей над свободными от клеток участками. Создается впечатление, что в среде, протекавшей над клетками, недостает каких-то важных питательных веществ или факторов роста. Кстати, это можно было бы предсказать. В самом деле, PDGF обычно присутствует в среде в концентрации около 10 ^-10 М (примерно одна молекула в объеме сферы диаметром 3 мкм). Один фибробласт имеет около 105 рецепторов PDGF, каждый из которых обладает очень высоким сродством к фактору роста. Таким образом, у каждой клетки достаточно рецепторов, чтобы связать все молекулы PDGF в объеме сферы диаметром около 150 мкм. Кроме того, полагают, что значительная часть PDGF, связанного рецепторами клеточной поверхности, быстро поглощается путем эндоцитоза и разрушается (разд. 6.5.12). Из этого ясно, что соседние клетки конкурируют между собой за малейшие количества факторов роста. Такого рода конкуренция была бы важна как для клеток в ткани, так и для культивируемых клеток, - она предотвращала бы рост популяции выше некоторого уровня ее плотности.

13.3.6. Нормальные животные клетки в культуре перестают делиться при откреплении от субстрата [22]

Конкуренция за факторы роста и питательные вещества - не единственный фактор, влияющий на скорость деления в клеточной культуре.

Форма клеток во время их распластывания и движения по поверхности субстрата на свободные места тоже сильно влияет на их способность делиться. При культивировании нормальных клеток в суспензии, когда они не прикреплены к твердой поверхности и поэтому имеют округлую форму, они почти никогда не делятся (зависимость деления от прикрепления). Влияние распластывания клеток на пролиферацию можно продемонстрировать при выращивании клеток на субстратах с различной адгезивностью поверхности или на таких субстратах, где имеются лишь крошечные адгезивные участки, на которых клетка может прикрепиться, но не может распластаться. Частота деления клеток возрастает с увеличением степени их распластывания. Возможно, что сильно распластанные клетки могут улавливать больше молекул фактора роста и поглощать больше питательных веществ благодаря своей большей поверхности. Однако некоторые типы клеток (например, клетки ЗТЗ), почти не способные к пролиферации в суспензии, охотно делятся, как только им удается вступить в контакт с участком субстрата, даже если этот участок настолько мал, что клетка не может на нем распластаться (рис. 13-28). Такие «фокальные» контакты являются местами соединения (хотя и непрямого) внутриклеточных актиновых филаментов с молекулами внеклеточного матрикса (разд. 11.2.8). Эти и другие наблюдения определенно наводят на мысль, что контроль клеточного деления каким-то образом связан с организацией цито-

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-28. Зависимость клеточного деления от размеров клеток и от их прикрепления. В представленном на этом рисунке опыте клетки растут либо в суспензии, либо прикрепленными к участкам адгезивного материала (палладия) на неадгезивной поверхности; от величины этих участков зависит степень распластывания клеток и возможность их деления. В культуральную среду добавляли 3Н-тимидин и спустя 1-2 дня фиксировали культуру и получали радиоавтографы для определения процента клеток, перешедших в фазу S. А. Округленные клетки линии ЗТЗ в суспензии делятся очень редко, но прикрепление к очень малому участку - такому, что он не позволяет клетке распластаться, дает им возможность делиться значительно чаще. Б и В. Снимки, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа, позволяют сравнить клетку, распластанную на большом адгезивном участке, с клеткой, прикрепленной к маленькому участку. (Фотографии из С. O'Neill, P. Jordan, G. Ireland, Cell 44: 489-496, 1986. Copyright Cell Press.)

скелета. Хотя механизм и функции этой связи не ясны, можно думать, что зависимость деления клеток от их прикрепления, вероятно, позволяет ткани сохранять целостность и предотвращает пролиферацию клеток, обособившихся от нормального окружения.

Зависимость между прикреплением клетки и ее делением имеет несколько аспектов. С одной стороны, для большинства нормальных клеток позвоночных необходимо прикрепление, чтобы перейти точку рестрикции; с другой стороны, для клеток, уже прошедших эту точку, для окончания цикла деления прикрепление необязательно - обычно они при этом теряют контакты и округляются, переходя в М-фазу. Этот цикл прикрепления и открепления, вероятно, позволяет перегруппировать адгезивные кантакты как между клетками, так и между клетками и матриксом, чтобы встроить вновь возникшие дочерние клетки в ткань, перед тем как они смогут начать следующий цикл деления.

Ослабление контактов, видимо, составляет важную особенность пролиферативного поведения большинства типов клеток. Например, в ранней стадии реакции фибробластов на PDGF отмечается разрушение их фокальных контактов (разд. 13.4.6). Поразительно то, что потеря управляемости роста у раковых клеток почти всегда связана с необратимым уменьшением клеточной адгезивности, которое проявляется также в потере фокальных контактов при выращивании таких клеток в культуре. Связь между клеточным делением и прикреплением - весьма запутанная проблема, о чем мы будем говорить позднее; этим обусловлен и существенный пробел в нашем понимании трансформации, превращающей нормальную клетку в раковую (разд. 13.4.7).

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

13.3.8. Клетки, которые не должны делиться, переходят в состояние покоя - G0 [17, 23]

Когда еще нет предпосылок для деления, здоровая клетка почти всегда будет находиться в фазе G1 клеточного цикла. Когда обстоятельства становятся благоприятными для митоза, клетка возобновляет свое продвижение по циклу. Например, клетка, лишенная факторов роста, возобновляет цикл при добавлении сыворотки в среду. Однако после добавления сыворотки фаза S начинается почти всегда со значительной задержкой, которая обычно на несколько часов больше общей длительности фазы G1 у нормально пролиферирующих клеток. Лишение фактора роста переводит клетку в непролиферирующее и сильно измененное состояние, в котором она не может пройти точку рестрикции. Выход из этого состояния представляет собой сложный процесс, требующий много времени и состоящий из ряда стадий, различающихся по чувствительности к факторам роста.

Связь между отсутствием сыворотки и циклом клеточного деления была выяснена при изучении клеток ЗТЗ в культуре. Точку рестрикции в клеточном цикле можно выявить через 3,5 ч после завершения митоза. Отсутствие сыворотки (или воздействие ингибитора белкового синтеза) в течение всего лишь часа в период до этой точки останавливает клетку в фазе G1 и приводит к тому, что после добавления сыворотки возможна 8-часовая задержка (по принципу «всё или ничего») перед возобновлением цикла. Такое же отсутствие сыворотки после точки рестрикции не приводит к задержке в текущем цикле деления, но такая задержка возникает при прохождении фазы G 1 следующего цикла. Эти наблюдения можно интерпретировать довольно просто. В пролиферативном состоянии клетка содержит набор молекул, которые позволяют ей проходить точку рестрикции; когда точка пройдена, эти молекулы, хотя они обычно остаются, уже не нужны для прохождения фаз S, G2 и М, которые следуют автоматически. Эти «разрешающие деление» молекулы быстро разрушаются в период отсутствия сыворотки и уже значительно дольше синтезируются заново после ее добавления. Разрушение может происходить в любой фазе цикла, но его последствия никак не проявятся, пока клетка не дойдет до точки рестрикции. Если всё это так, то состояние клетки определяется двумя независимыми параметрами: 1) фазой хромосомного цикла и 2) наличием или отсутствием молекул, разрешающих деление, т.е. определяющих пролиферативное состояние клетки.

Клетка, не имеющая «разрешения» делиться, будет неспособна пройти точку рестрикции и остановится в этой точке; говорят, что она остановлена в состоянии покоя, или в состоянии G0.

Исследования на клеточных культурах выявляют роль внешних факторов, обратимо управляющих выбором между пролиферацией и покоем. Однако у многоклеточных организмов клетки многих типов переходят в состояние G0 в результате окончательной дифференцировки и теряют способность делиться независимо от внешних стимулов. Образование таких клеток обычно регулируется специальными механизмами с участием стволовых клеток, о которых пойдет речь в гл. 17.

13.3.9. Хромосомный цикл может становиться независимым от роста клеток [24]

Клетка в состоянии G0, находясь в покое в отношении хромосомного цикла, в то же время обычно отличается от пролиферирующей клетки также и балансом между синтезом и распадом белков; если делящаяся клетка в фазе G1 растет, то клетка в состоянии G0 поддерживает постоянные размеры. Клетки G0 обычно содержат меньше рибосом

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 13-29. Сравнение размеров нейрона из сетчатки млекопитающего и лимфоцита; обе клетки содержат одинаковое количество ДНК. В процессе развития нейрон растет непрерывно, оставаясь в состоянии G0. За это время отношение цитоплазмы к ДНК чрезвычайно сильно возрастает (для некоторых нейронов с коэффициентом 10s). [В. В. Boycott. In: Essay on the Nervous System (B. Bellairs and E. G. Gray eds.). Oxford, U. K.

Clarendon Press, 1974]

и меньшее количество РНК, чем соответствующие клетки GJ, и синтез белка у них идет более чем в два раза медленнее. Когда факторы роста стимулируют клетку G0 к пролиферации, изменение скорости белкового синтеза у нее обычно коррелирует с воздействием на хромосомный цикл:

так же как и у дрожжей, рост и деление клетки координируются так, чтобы поддерживались нормальные размеры клеток.

Однако связь между синтезом белка и хромосомным циклом не жесткая. При подходящей комбинации ингибиторов белкового синтеза и факторов роста у культивируемых клеток можно подавить белковый синтез без задержки в прохождении хромосомного цикла или, наоборот, стимулировать синтез белков без стимуляции клеточного деления. Кроме того, специализированные клетки разных типов очень сильно различаются по ядерно-плазменному отношению, и некоторые клетки в состоянии G0, такие как нейроны, могут почти неограниченно расти без репликации ДНК (рис. 13-29).

Дата добавления: 2015-08-31