Хлопай ресничками

Жгутики сперматозоидов, реснички инфузорий и щеточка на эпителиальных клетках в носу, которая гонит слизь с бактериями и пылью прочь из дыхательных путей, — это одно и то же. Хитрая молекулярная машина, которая помогает клеткам эукариот передвигать окружающую их жидкость или двигаться в ней самим. Но ученые все чаще находят на клетках человеческого организма реснички, которые растут по одиночке и никуда не гребут. Например, китайские исследователи только что описали реснички на поверхности нейронов в супрахиазматическом ядре — области гипоталамуса, которая отвечает за суточные ритмы. Оказывается, те же самые свойства, которые позволяют ресничке служить хорошим веслом, делают ее отличной антенной — и помогают мышам (да и людям наверняка) переключаться между днем и ночью.

Машина для битья

Сперматозоид ввинчивается в воду, инфузория неспешно подгребает, хламидомонада мелко подпрыгивает. Все это им обеспечивает один и тот же инструмент— ресничка. Или жгутик; названий два, но устроены эти гребные приспособления совершенно одинаково.

Каждая ресничка — это пучок из 47 микротрубочек, обтянутый клеточной мембраной. Та часть реснички, что торчит наружу, состоит из 18 микротрубочек, которые попарно крепятся белковыми спицами к центральной, десятой паре. Остальные 27 микротрубочек прячутся внутри клетки, служат опорой для реснички и называются базальным тельцем.

У наружных микротрубочек по всей длине рядами расположены «руки» из транспортных белков-динеинов. Когда динеины на одной связке микротрубочек хватаются за другую и тянут, то вся ресничка сгибается. Это, собственно, и есть взмах.

Когда ресничка согнулась достаточно сильно, динеины отрываются от соседней микротрубочки — и начинается следующая фаза движения. Бывает так, что пучок просто возвращается в исходное положение: тогда быстрый взмах сменяется медленным возвращением на изготовку. А иногда в дело вступают динеины с других пучков и начинают по очереди повторять то же самое движение за коллегами: тогда вся ресничка, изгибаясь в разные стороны, делает оборот на 360 градусов — получается типичное вращение, как у жгутика сперматозоида.

На греблю уходит немало сил. Каждому моторному белку нужна энергия, чтобы гнуть ресничку. Всего на каждый мах уходит около 10 тысяч молекул АТФ. Кроме того, нужно постоянно поддерживать скелет реснички в рабочем состоянии: для этого отдельная система транспортных белков подвозит запчасти на кончик реснички и забирает изношенные части микротрубочек на переработку.

А если ресничек на клетке много — как у инфузории или эпителиальной клетки в человеческих бронхах — то нужно позаботиться еще и о том, чтобы все они бились в такт.

Как именно реснички синхронизируются друг с другом, известно не до конца. Отчасти это происходит механически: каждая ресничка своим биением создает ток воды, который давит на соседние реснички. Отчасти это регулируется химически — и в этом смысле инфузория напоминает мышцу или нейрон.

Когда она натыкается на препятствие, по ее мембране бежит волна деполяризации — то есть в ней открываются ионные каналы. На поверхности ресничек таких каналов много, и ионы кальция, попав внутрь реснички, запускают сигнальный каскад. Последними в каскад включаются белки, которые навешивают химические группы на динеины. И в зависимости от этого они могут менять форму или силу своей хватки — а это уже влияет на мощь, скорость и угол маха.

Бывают и более сложные ситуации — когда нужно, чтобы не все реснички били одновременно, а по поверхности тела бежали разнонаправленные волны. Так бывает, например, у личинок беспозвоночных, которые часто опоясаны ресничками и могут с их помощью плавать по сложным траекториям или подгонять пищу ко рту. Здесь уже нужны нейроны — чтобы по очереди посылать импульсы в разные группы клеток с ресничками.

Если какая-то из деталей в этой машине ломается — будь то моторы, спицы или те, кто их чинит, — то ритмично грести она не может. Мутации, связанные с ресничками, приводят к тому, что они машут слабо, вразнобой или не в ту сторону. Такие патологии называют цилиопатиями. И симптомы у них могут быть очень разными: например, если эпителий в трахее и бронхах не справляется с тем, чтобы передвигать по себе слизь, это оборачивается для их владельца дыхательными инфекциями. А если жгутик не работает у сперматозоида, то он не сможет оплодотворить яйцеклетку — просто не доплывет до своей цели.

Прием, прием

Но некоторые реснички на поверхности клеток никуда не машут. Такие, например, есть у волосковых клеток во внутреннем ухе (подробнее о том, зачем они нужны, читайте в материале «Я вас услышала»). Там они работают как механорецепторы: звуковая волна, двигаясь по жидкости в улитке, отклоняет реснички в сторону. В ответ в их мембране открываются каналы, ионы текут внутрь клетки — и вызывают нервный импульс.

Такие первичные реснички обычно растут на клетке в одиночестве и встречаются практически везде — но долго не привлекали внимания физиологов. Пока в 2000 году не выяснилось, что они могут работать сенсорами даже там, где нет никаких органов чувств. Например, в почках.

Открывшие их медики разбирались в том, откуда берется поликистоз почек — болезнь, при которой почки разрастаются и перестают нормально работать. К тому времени уже была известна мутация, связанная с наследственными формами поликистоза, но было совершенно непонятно, что именно их связывает. Оказалось, что белок, дефект которого приводит к поликистозу, похож на один из белков хламидомонады. И у нее он отвечает за сборку жгутиков и транспорт веществ по ним.

У почечных клеток подвижных жгутиков нет, но есть первичные реснички, которые торчат внутрь почечного канальца. И там они, как и в органе слуха, работают сенсорами, то есть сгибаются под током первичной мочи и генерируют сигнал, который, в свою очередь, регулирует экспрессию генов и деление клеток. Дефектный белок не справляется со своими функциями, поэтому ресничка получается короткой, а ее сигнал — слабым. Ориентируясь на него, клетки начинают делиться, и вся почка разрастается.

Разобравшись с поликистозом, биологи отправились выяснять, где еще реснички работают сенсорами, — и нашли множество тому примеров. Оказалось, что по такому же принципу устроена механорецепция в печени и поджелудочной железе — и поломки также вызывают образование кист. В костях реснички реагируют на токи воды по микроскопическим каналам — и регулируют размер кости в зависимости от нагрузок. В кровеносных сосудах они считывают натяжение стенок — и поэтому связаны с атеросклерозом и гипертензией.

Чувствительные реснички нашлись и в головном мозге. Там они, судя по всему, участвуют в передаче сигналов наравне с другими отростками нервных клеток. По крайней мере, они могут образовывать синапсы с аксонами. И несут на себе множество рецепторов к нейромедиаторам и нейропептидам, с помощью которых, например, регулируют возбудимость своего нейрона.

Поэтому у цилиопатий бывают неврологические симптомы, вроде эпилепсии и когнитивной дисфункции. А недавно ученые заметили, что реснички есть и в гипоталамусе — в том числе там, где находятся нейроны, контролирующие аппетит. И заподозрили, что дефекты ресничек могут вызывать ожирение — по крайней мере, в эксперименте они заставляют мышей тратить меньше энергии и быстрее набирать вес.

Неудивительно, что китайские ученые, которые занимаются циркадными ритмами и их нарушениями, задумались: не замешаны ли реснички и здесь.

Держим ритм

Суточные ритмы в организме человека зависят от 20 тысяч нейронов в супрахиазматическом ядре гипоталамуса. Они посылают сигналы в эпифиз, чтобы в кровь поступали гормоны, которые в конечном счете переводят отдельные клетки и органы в дневной или ночной режим работы. Но это происходит только при условии, что нейроны подают сигнал одновременно, причем достаточно сильный. Для этого в каждом из них работает петля обратной связи: в нейроне активны гены суточных ритмов, клетка производит соответствующие белки, а те заставляют клетку выделять нейромедиаторы. Нейромедиаторы действуют на соседние нейроны — и усиливают активность генов суточных ритмов (о том, что происходит на клеточном уровне, читайте в материале «Ход часов лишь однозвучный», посвященном Нобелевской премии за механизмы биоритмов).

Этот механизм должен работать автономно. У человека, который живет в пещере, не видя солнечного света, раз в сутки возникает устойчивое желание уснуть. Но поскольку длина светового дня меняется, желанию спать нужно под него подстраиваться. Поэтому в гипоталамус постоянно поступают сигналы от органов зрения, которые помогают синхронизировать внутренние сутки с внешними.

Иногда между этими стимулами возникает конфликт — например, в случае джетлага. Заведенные в одной долготе внутренние часы считают, что на дворе ночь, и укладывают организм спать. И человеку, который улетел на запад, приходится сопротивляться сонливости — что тянет за собой длинный хвост возможных последствий. Сейчас хронический джетлаг связывают с разными патологиями, от депрессии до ожирения и рака.

Чтобы справиться с джетлагом, нужно освоить управление нейронами супрахиазматического ядра. Для этого китайские ученые попробовали сначала разобраться в том, как они между собой взаимодействуют, — и первым делом поискали на них первичные реснички.

Оказалось, что, во-первых, реснички на этих клетках не редкость. А во-вторых, они меняют свой размер. Максимальную долю нейронов с заметными ресничками ученые зафиксировали в самом начале светового дня. К наступлению ночи гипоталамус «полысел» примерно в семь раз, а сами реснички стали почти в шесть раз короче. Весь этот процесс напрямую зависел от генов суточных ритмов: у мышей с выключенным геном никакой цикличности за ресничками замечено не было.

Дальше исследователи вырастили мышей без ресничек именно на нейронах супрахиазматического ядра. Животные получились здоровыми и легко переносили стандартный режим дня при обычном освещении (когда лампы в клетках на ночь выключают) — то есть подстраивали под него свою активность. Даже когда их поселили в полной темноте, мутантные мыши неплохо поддерживали собственный биоритм.

Тогда мутантных мышей подвергли испытанию джетлагом — сдвинули режим светового дня на восемь часов вперед. Контрольные животные начали просыпаться и засыпать вовремя только через десять дней. Мышам без ресничек на это понадобилось всего 1–3 дня. В обратную сторону мыши переучивались быстрее — но и здесь у контрольных ушло несколько дней, а мутантные адаптировались практически сразу.

В этот момент ученые заподозрили, что реснички служат нейронам для синхронизации — то есть помогают принимать сигналы от соседей. Чтобы это проверить, они провели тест на изолированных кусочках супрахиазматического ядра мышей. Сначала они обрабатывали кусочки ткани тетродотоксином — он блокирует натриевые каналы и останавливает передачу импульса. Нейроны в этот момент, естественно, синхронизироваться не могут. Потом ткань отмыли от тетродотоксина — и нейроны контрольных мышей вернулись в единый ритм. А вот нейроны мышей-мутантов продолжили выдавать импульсы асинхронно.

Получается, что реснички в супрахиазматическом ядре гипоталамуса помогают нейронам договариваться друг с другом. Жить без этого, в принципе, вполне возможно, и даже внутренние часы при этом бьются в обычном ритме. Но если дело доходит до нештатной ситуации, нейронам оказывается трудно принять совместное решение. Поэтому приходится доверять зрительному сигналу.

Авторы статьи делают из этого простой прикладной вывод: чтобы помочь людям адаптироваться к джетлагу, нужно выключить реснички. Они выяснили, что реснички запускают в нейронах сигнальный каскад белка Shh, и проверили, что будет, если заблокировать этот каскад у мышей. Животным ввели лекарство прямо в супрахиазматическое ядро — и они перестроились на новый световой режим в тот же день. Контрольным же мышам для этого понадобилось около недели.

Вот так ресничка оказалась многофункциональным устройством: кого-то она ритмично толкает сквозь пространство, а кому-то — задает ритм времени. Так что если мы хотим скитаться по свету, нам придется договариваться со своими внутренними ресничками — а то и вовсе их выключать.