Биологи измерили скорость волны запрограммированной клеточной смерти

Американские биологи обнаружили, что механизм запрограммированной гибели запускается в клетках в результате волны биохимических реакций, которая распространяется по цитоплазме со скоростью около 30 микрометров в минуту. Сигнал запускается при попадании в цитоплазму цитохрома c, который инициирует цепь циклов с прямой и обратной связью. Такая волна может распространяться по клетке на несколько сотен микрометров, пишут ученые в Science.

Для избавления от поврежденных или инфицированных клеток, а также для регуляции процессов дифференциации и морфогенеза многоклеточные организмы прибегают к механизму программируемой клеточной смерти — апоптозу. Если этот механизм запущен, то клетка начинает распадаться на отдельные тельца, ограниченные клеточной мембраной, которые затем поглощаются соседями с помощью фагоцитоза. Весь этот процесс занимает от одного до трех часов. Однако как именно в клетке происходит запуск апоптоза — как сигнал о необходимости распада распространяется по цитоплазме и с какой скоростью он идет — до сегодняшнего дня оставалось неизвестным.

Чтобы более детально исследовать механизм распространения сигнала о запуске апоптоза, американские биологи из Стэнфордского университета Сяньжуй Чэн (Xianrui Cheng) и Джеймс Феррел мл. (James E. Ferrell Jr.) исследовали этот процесс в цитоплазме из яйцеклетки гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). Эта лягушка обитает в Южной Америке, сама она в длину около 12 сантиметров, но при этом имеет очень большие по размеру яйцеклетки — диаметром около 1,2 миллиметра. Очень часто ооциты и эмбрионы этих лягушек используются в качестве модельных объектов для проведения изучения эмбриогенеза, проведения генетических и биохимических исследований. Судьба этих клеток решается на стадии метафазы второго деления мейоза: либо клетка оплодотворяется и переходит к эмбриогенезу, либо не оплодотворяется и оказывается ненужной, в таком случае запускается механизм ее гибели.

В данном случае ученые использовали ооциты гладкой шпорцевой лягушки в качестве модели для изучения клеток, которые пошли по второму пути и запустили механизм апоптоза. Изначально авторы исследования предполагали два возможных варианта: либо биохимический сигнал о начале процесса разрушения распространяется по цитоплазме в результате случайной диффузии, либо для запуска существует специальная сигнальная цепь из некоторого количества биохимических циклов с прямой и обратной связью, в результате работы которых по цитоплазме проходит «волна включения» апоптоза.

Чтобы определить, какой из этих двух механизмов реализуется на самом деле, из ооцитов в стадии интерфазы ученые выделяли клеточный экстракт — жидкость, которая образуется при разрушении клеток и соответствует составу цитоплазмы. Этот экстракт, который используется для воспроизведения биохимиечских процессов in vitro, помещался в трубку длиной 3–4 миллиметра, после чего в него добавляли цитохром c — гем-содержащий белок, активирующий апоптоз. Используемой длины трубки было достаточно, чтобы с помощью флуоресцентной микроскопии отличить диффузионный механизм от волнового.

Оказалось, что сигнал о запуске механизма гибели распространяется по цитоплазме клетки по волновому механизму. Скорость распространения этой волны составила от 28 до 33 микрометров в минуту (точное значение скорости зависит от изначальной концентрации митохондрий в цитоплазме). При этом ученым удалось обнаружить и те биохимические процессы, которые приводят к движению волны: цитохром приводит к активации нескольких типов каспаз — ферментов, приводящих к расщеплению белков. Так, в образце сравнения (без цитохрома) эти процессы вообще не запускались, и при добавлении в экстракт ингибиторов каспаз волна запуска апоптоза сильно замедлялась.

Тот же механизм ученые обнаружили и в самих ооцитах. Причем измерить скорость распространения волны запуска клеточной гибели ученым удалось для естественного апоптоза, так и для процесса, вызванного искусственно добавлением цитохрома с. В этом случае волна стартовала от вегетативного полюса яйцеклетки и с той же скоростью — около 30 микрометров — в минуту распространялась по клетке. Заметить этот процесс можно было по активации каспаз.

По словам ученых, волны, запускающие в клетках апоптоз, аналогичны кальциевым волнам, которые используются во многих клетках для сигнальных функций: если в случае с кальциевыми волнами источником ионов кальция становится эндо-плазматический ретикулум, то источник волны, запускающей апоптоз, — цитохром, выделяющийся из митохондрий. Биологи утверждают, что полученные ими результаты подтверждают важность волнового механизма в клеточных сигнальных системах, и, вероятно, в будущем удастся найти другие примеры такого способа передачи информации.

Иногда механизм запрограмированной клеточной смерти используется животными для довольно неочевидных целей. Например, недавно группа шведских и французских ученых обнаружила, что регуляция апоптоза используется курами, чтобы придать перьям полосатую окраску.

Александр Дубов