Соціальне поводження нормальних клітин і антисоціальна поведінка
пухлинних клітин.
Маркович Васильєв, доктор
медичних наук
ВСТУП.
Мікросередовище КЛІТИНИ
Поведінка
клітини в організмі визначається середовищем, безпосередньо навколишнього цю клітку.
Така мікросередовище складається з компонентів трьох типів: а) сусідніх клітин; б)
позаклітинних поверхонь, з якими контактує клітка, наприклад,
поверхонь колагенових волокон та інших волокон, що виділяються клітиною (так
званого позаклітинної матриксу), і в) рідкого середовища: тканинної рідини, крові
і лімфи. У спрощених умовах культури клітини також оточені трикомпонентною
мікросередовища: рідким компонентом тут є живильне середовище, а серед
позаклітинних поверхонь поряд з волокнами матриксу є внутрішня
поверхню культурального судини - підкладка культури. Вся поведінка нормальної
клітини визначається сигналами, які отримуються з мікросередовища.
В
попередній статті [5] ми розібрали деякі механізми регуляції поділу і
загибелі клітин молекулами рідкого компонента мікросередовища - факторами росту і гормонами.
У цій статті ми розглянемо реакції клітини на два інших компоненти мікросередовища
- На контакт з позаклітинним матриксом і поверхнею інших клітин. Складність
цих взаємодій в тому, що вони двосторонніх: при контакті між клітинами,
зрозуміло, змінюються обидві клітини; при контакті з матриксом змінюється не тільки
клітка, а й матрикс. У результаті безлічі таких взаємодій групи клітин
облаштовують ту територію, на якій вони живуть, будують тканини й органи. Ця
діяльність клітин аналогічна діяльності людей, облаштовують свою
локальну територію: будинок і ділянку навколо будинку. При цьому і люди і клітини
спільно визначають межі між територіями сусідів, будують свої будинки або
заселяють будинки, побудовані іншими, а також організують зв'язку з ближніми і
далекими будинками.
Вивченню
механізмів контактних реакцій, що ведуть до побудови тканин (морфогенетичних
реакцій), дуже допомагає порівняння поведінки нормальних і пухлинних клітин.
Як ми знаємо, у пухлинних клітин реакції на зовнішні сигнали порушуються в
результаті мутацій певних генів: протоонкогенів і антіонкогенов.
Розглянемо порушення здатності до морфогенетичні реакцій, що виникають у
Внаслідок таких мутацій.
КЛІТИНИ
Облаштовують територію КУЛЬТУРИ
Найпростіший
варіант облаштування своїй території групою клітин - організація
багатоклітинній структури, подібної тканини, з ізольованих клітин епітелію або сполучної
тканини (фібробластів), висаджених в культуру, де клітини прикріплюються до дна
(підкладці) судини, що заповнений рідким живильним середовищем. Однією з важливих
реакцій, що виникають при такій організації, є вироблення і виділення
спеціальних білків позаклітинної матриксу. Ці білки прикріплюються до дна
судини, а також полімеризуються навколо клітини в особливі нитки, наприклад
колагенові волокна. Фібробласти в культурі, як і в організмі, утворюють
рихлу мережа таких волокон, що оточують клітини з усіх боків. Епітеліоцити
утворюють більш густу решітку з особливих колагенових волокон - так звану базальну
мембрану між кліткою і підкладкою.
Клітка,
стосувалось підкладки з сорбованих молекулами білків матриксу або волокон
матриксу, зроблених нею самою або іншими клітинами, починає тут же реагувати
на цей контакт, змінюючи форму і перебудовуючи цитоскелет (рис. 1). Ми вже
розбирали механізми таких реакцій у попередніх статтях [4]. Повторимо коротко
суть виникаючих при цьому процесів. Центральної реакцією тут є
освіта рухомих відростків - псевдоподии, наповнених всередині Актинові
філаментах. Поверхня псевдоподии утворює потім спеціальні структури --
фокальні адгезії, де скупчення білків-рецепторів прикріплюють мембрану цієї
клітини до білків матриксу і через них до підкладки. З внутрішньої сторони мембрани
молекули тих самих рецепторів з'єднуються з Актинові філаменти цитоскелету.
Скорочення цих натягнутих і прикріплених до матриксу філаментів можуть викликати
підтягування всієї клітини до фокальній адгезії. Багаторазове повторення цих
реакцій - основа рухів клітки по підкладці.
Клітини
реагують також на контакт з поверхнею іншої клітини. Цей сигнал викликає
дві реакції: зупинку освіти псевдоподии у напрямку іншої клітини
(контактна гальмування рухів [4] та освіта адгезійних структур другу
типу (міжклітинних адгезії).
Таким
чином, комплекс морфогенетичних реакцій в культурі включає секрецію білків
матриксу, освіта та скорочення псевдоподии, освіта адгезії між
мембраною псевдоподии і матриксом і мембранами сусідніх клітин, а також
контактна гальмування рухів. У результаті багаторазового повторення таких
реакцій клітини організуються в багатоклітинні системи, дуже схожі на ті
тканини, які ті ж клітини (епітеліоцити і фібробласти) будують в організмі.
Рис.
1. Топографія поверхні нормальних і трансформованих фібробластів в
культурі. Скануючі електронні мікрофотографії Ю.А. Рівненського: а --
стандартний мишачий фібробласт в рідкому середовищі. Сферична клітка з
численними пузирчастий випинання на поверхні. Вивів. 3800; б --
стандартний мишачий фібробласт, прикріпили до плоского дна посудини. Клітка
розпласталась на підкладці, її поверхня стала гладкою. Попереду - уплощенная
ламелла з рядом плоских псевдоподии; ззаду - вузьке тіло клітини. Вивів. 1600; в --
трансформований мишачий фібробласт, прикріпили до плоского дна посудини.
Клітка погано розпласталась на підкладці, і її поверхня не стала зовсім
плоскою. На цій поверхні видно численні короткі ворсинки, а на
кінцях відростків - фестончатими псевдоподии. Вивів. 800
епітеліоцити
з'єднуються один з одним в пласт з клітин, щільно спаяних адгезії один з
одним і тих, хто сидить на базальної мембрани, - організація, дуже схожа на одношаровий
епітелій в організмі.
Фібробласти
набувають в культурі витягнуту форму, утворення якої залежить від
цітоскелетной системи мікротрубочок [4]. Міжклітинні адгезії у фібробластів в
відміну від епітеліоцитів неміцні, вони легко рвуться при рухах, і
контактують клітини відокремлюються один від одного. Тому фібробласти в культурі
утворюють систему з паралельно розташованих подовжених клітин, між якими
розташовується густа мережа волокон матриксу. В організмі сполучні тканини і
споріднені їм хрящові і кісткові тканини побудовані з того ж типу - з клітин,
відокремлених один від одного міжклітинним матриксом різного складу (мал. 2). Таку
систему можна порівняти з селом, де кожен індивідуум або група індивідуумів
відділений один від одного великими присадибними ділянками (структурами матриксу).
Епітелій більше схожий на колектив, де індивідууми більш тісно пов'язані один з
одним, наприклад на марширують військову частину.
Рис.
2. Схема взаємовідносин між клітинами (світло-коричневий колір) і волокнами
матриксу (синій колір) в нормальної сполучної і епітеліальної тканини
КОНТАКТНІ
РЕАКЦІЇ Регулює РОЗМНОЖЕННЯ і загибель клітин
Реакції
з матриксом і підкладкою не тільки призводять до побудови тканин, а й беруть участь
в регуляції внутрішньоклітинних процесів, і перш за все розмноження клітин (рис.
3). Найнаочніше це видно з дослідів, що демонструють залежність
розмноження нормальних фібробластів від їх прикріплення до дна культури і
волокнах матриксу на цьому дні (підкладці). Коли ми робимо звичайну культуру, то
суспензія (суспензія) відокремлених один від одного клітин додається до поживного
середу культурального судини, наприклад чашки Петрі. Під впливом сили тяжіння
клітини суспензії опускаються на дно судини, прикріплюються до цього дну і лише потім
починають розмножуватися, тобто вступають в мітотичний цикл [5]. Приєднання
клітин до підкладки можна запобігти, якщо додати в середу в'язка речовина
(агар або метилцелюлоза), що заважає клітинам осідати на дно. Клітини залишаються
зваженими в такому "холодцем", розмножуватися вони не починають.
Достатньо, однак, помістити в в'язку середу дуже маленькі скляні
палички, щоб клітини, не сіли на дно, але прикріпилися до поверхонь таких
висять паличок, негайно вступили в мітотичний цикл і утворили через
кілька днів колонії клітин навколо кожної палички. Очевидно, мітотичний
цикл тут индуцируется прикріпленням клітини до підкладки або схожою з нею
поверхні палички.
Рис.
3. Регулювання розмноження клітин в культурі. Рідка середа синя, стінки і дно
судини чорні. У неразмножающіхся клітин ядра не пофарбовані, у клітин в
мітотичного циклу червоні: а, б - нормальні клітини: а - залежність
розмноження клітини від підкладки: вступила до циклу лише клітина, прикріпивши до
поверхні дна посудини (підкладці), але не клітини, зважені в рідкому середовищі, б --
залежність розмноження від щільності населення культури. Серед клітин,
прикріплених до підкладки, розмножуються лише ті, які межують з вільною
поверхнею цієї підкладки, але не клітини, оточені з усіх сторін сусідами;
в, г - пухлинні клітини розмножуються без підкладки в рідкому середовищі (в) і на
підкладці незалежно від числа сусідів
В
відміну від контактів з підкладкою контакти з іншими клітинами, мабуть,
призводять до гальмування розмноження (рис. 3). Дійсно, коли в результаті
розмноження клітин культура стає густим і на її дні не залишається незайнятих
клітинами місць, то ці клітини перестають ділитися, тобто виходять з
мітотичного циклу в так звану фазу спокою Go [5]. Якщо зробити рану
(видалити бритвою з дна посудини невелику ділянку густої культури), то
контактна гальмування на краю рани зникає і клітини починають мігрувати в
рану на вільну підкладку. Незабаром такі мігрували клітини починають в рані
активно розмножуватися і діляться до тих пір, поки не заросте вся рана, тобто
вільна підкладка. Ці досліди свідчать про те, що розмноження залежить від
місцевої "густоти" населення культури. Хоча вони не доводять строго,
що саме прямі контакти клітина-клітина гальмують розмноження, така
можливість є дуже вірогідною.
Контроль
розмноження з сусідніми клітинами і підкладкою в культурі аналогічний процесам,
тим, що відбувається в організмі, Наведемо лише один приклад. Уявіть собі
подряпину, яка порушила цілісність епітелію шкіри. Клітини епітелію по краю
подряпини починають мігрувати на поверхню вільного матриксу і розмножуються
до тих пір, поки ця поверхня буде повністю закрита.
Під
всіх випадках регулюється місцеве співвідношення клітин і територій, на яких
вони знаходяться. Нормальна клітина розмножується тільки тоді, коли у неї є
вільна "площа для житла". Завдяки цим регуляція
підтримується і відновлюється після ушкоджень правильна тканинна
структура (загоєння ран!).
ПОРУШЕННЯ
Морфогенетичні РЕАКЦІЙ ПРИ пухлинна трансформація
Досліди
з культурами показали, що при пухлинних трансформаціях епітеліоцитів і
фібробластів різко порушуються всі морфогенетичні реакції на контакти з
іншими клітинами і підкладкою. Такі трансформовані клітини роблять менше
матриксу, гірше прикріплюються до матриксу, підкладці і іншим клітинам. Порушуються
також контактні регуляції розмноження. Наприклад, клітини, зважені у в'язкому
середовищі, продовжують розмножуватися без прикріплення до підкладки. Ці клітини
розмножуються і в густій культурі незалежно від числа сусідів. У результаті тканинні
системи епітелію і сполучної тканини в культурі і організмі стають гіршими
організованими, а в граничному випадку такі системи взагалі не утворюються, але
розпадаються на окремі клітини і групи клітин. В організмі такі відокремилися
від тканини клітини починають рухатися на сусідні території і розмножуватися там.
Наприклад, трансформовані клітини епітелію, відокремившись від пласта, починають
мігрувати через дефектну базальну мембрану в навколишнє сполучну
тканину, а потім проникати в просвіт судин, звідки вони струмом лімфи або крові
можуть переноситися в інші органи. Такі крайні зміни здатності до
морфогенетичні реакцій і побудові тканин зумовлюють найбільш небезпечні
властивості пухлинних клітин - здатність до вростання в нормальні тканини
(інвазія) і до утворення колоній в інших органах (метастазування). Відзначимо,
що здатність до інвазії і метастазування властива лише клітинам пухлин,
найбільш різко зміненим генетично. Лікарі називають такі пухлини
злоякісними (рис. 4). Клітини з менш зміненими морфогенетичні
реакціями утворюють доброякісні пухлини, де є різні порушення
організації тканинних структур, але немає інвазії і метастазування. Аналіз геному
показав, що клітини злоякісних пухлин людини мають цілу серію мутацій
різних онкогенів і антіонкогенов, тоді як клітини доброякісних пухлин
зазвичай мають менше число таких мутацій. Таким чином, ступінь порушення
морфогенетичних реакцій і відповідно протягом пухлини визначається числом
і ступенем змін геному пухлинних клітин, однією мутації для розвитку раку
зазвичай недостатньо.
Рис.
4. Два пухлинних клону серед клітин нормального епітелію. Нормальні клітини
світло-коричневі. Клітини клону, що утворює доброякісну пухлину - поліп
(темно-коричневий колір), дають надмірний ріст і утворюють випинання над
поверхнею пласта, але не проникають у сполучну тканину під епітелієм.
Навпаки, клітини злоякісного (ракового) клону (червоний колір) проникають під
базальну мембрану в сполучну тканину
МЕХАНІЗМ
РЕГУЛЯЦІЇ КОНТАКТНІ РЕАКЦІЙ
В
першій частині статті [5] ми розібрали основи молекулярних механізмів дії
спеціальних сигнальних молекул з рідкого середовища, що регулюють розмноження
клітин. Нагадаємо, що такі молекули зв'язуються із спеціальними рецепторами в
зовнішній мембрані клітини і активують ці рецептори, а ті, у свою чергу,
активують ланцюг проміжних білків у цитоплазмі, що врешті-решт призводить
до активації синтезу ядерних білків, необхідних для подвоєння геному (ДНК) і
підготовки поділу. Онкогени пухлинних клітин - мутував, гени, що кодують
білки різних етапів ланцюгів проведення сигналів. При пухлинних трансформаціях
онкогени, що викликають порушення реакцій на гуморальні фактори, індукують, як
ми бачили, і порушення морфогенетичних реакцій. Звідси випливає, що багато
етапи обох груп реакцій на сигнали контролюють ті ж білки, в
Зокрема спеціальні ферменти, що приєднуються фосфат до білка (кінази, см.
[5]). Кінцевими етапами ланцюгів активації морфогенетичних реакцій стають,
ймовірно, якісь білки цитоскелету, наприклад, білки, що зв'язуються з
Актинові філаменти [3] і викликають зміни збірки і скорочення
псевдоподии і освіти контактних адгезії. Дійсно, у деяких таких
білків приєднання фосфату різко підвищено в трансформованих клітинах,
однак поки що неясно, яке значення змін кожного конкретного білка в
порушення морфогенезу. Інший невирішене питання - які рецептори визначають
контактну регуляцію розмноження нормальних клітин. Ймовірне припущення
полягає в тому, що активація і гальмування розмноження залежать від тих самих білків,
які прикріплюють клітку до підкладки та інших клітин, тобто від
білків-рецепторів мембрани адгезійних структур, що з'єднуються з білками
підкладки або сусідніх клітин. Виявилося, що адгезіонні структури з підкладкою
(так звані фокальні контакти, рис. 5) містять не тільки білки,
необхідні для механічного з'єднання білків матриксу через мембрану з
цитоскелету, а й кілька десятків видів інших білків, функції яких
неясні. Серед цих "незрозумілих" білків є різні
протоонкобелкі, що беруть участь у проведенні сигналів, в тому числі ферменти-кінази.
Навіщо вони тут? Природно припустити, що фокальні адгезії не тільки
механічні "склеювання", але і "органи дотику" клітини,
передавальні сигнал від зіткнення з іншою поверхнею з зовнішньої мембрани
всередину клітини і викликають активацію розмноження. Можливо, що рецептори
адгезії клітина-клітина, навпаки, індукують інші сигнали, які гальмують
розмноження. Всі ці гіпотези зараз активно перевіряються в різних лабораторіях
світу. Взаємодія системи, що проводить сигнали від мембрани, з цитоскелету
визначає ту розумну організацію рухів та змін форми клітин, той
"розум цитоскелету", про який говорилося в попередній статті [4].
Рис.
5. Спрощена схема фокальної контакту клітини з матриксом. Молекули --
рецептори білків матриксу (Р) зовнішньою частиною прикріплюються до волокон
матриксу, а на внутрішній стороні мембрани ті ж рецептори за посередництвом
спеціальних білків - лінкер (Л) з'єднуються з кінцями Актинові філаментів
цитоскелету (зелений колір), які можуть натягувати контакт. У фокальних
контактах містяться також спеціальні регуляторні білки (кінази - К), які
можуть приєднувати фосфат до інших білків, змінюючи стан і міцність
контакту. Червоним пунктиром позначені гіпотетичні ланцюга проведення сигналів
від фокальних контактів. Через ряд проміжних білків (червоні кола) такі
ланцюги можуть активувати розмноження клітин і викликати утворення нових
псевдоподии на поверхні клітини
ВИСНОВОК.
Знищувати або Виправляти Пухлинні клітини?
Дослідження
онкогенів і антіонкогенов показали, що в клітині є складна система
сприйняття навколишнього світу і різноманітних реакцій на цей світ. Ми розбирали
реакції на окремі сигнали (гормони, контакти), але ж на ділі клітка як-то
узагальнює різні сигнали і реагує на весь комплекс таких сигналів комплексом
різних реакцій (рухами, поділом). Поведінка клітини не простіше, ніж поведінка
людини, кожна реакція якого, наприклад, поїздка з дому на роботу, включає
безліч сигналів і складних відповідних дій (дзвін будильника, вдягання,
вихід з квартири, вибір автобуса потрібного маршруту тощо). Подібно до цього, після
створення рани в культурі клітини оцінюють цілий комплекс чинників (поява
вільної підкладки, зникнення контакту з іншими клітинами, склад рідкої
середовища) і дають у відповідь комплекс реакцій: рух в рану, що включає
реорганізації цитоскелету і мембрани і майже одночасне входження в
мітотичний цикл, що включає синтези безлічі білків і РНК, подвоєння ДНК,
руху хромосом і т.д. Ми вже знаємо молекулярні механізми багатьох (але далеко
не всіх!) етапів цих реакцій. Ми ще не знаємо, однак, як всі ці реакції
інтегруються в клітці.
Як
вже говорилося, біологічна суть пухлинної хвороби - розростання клонів
клітин, у яких є мутації "генів соціальної поведінки".
Такі мутації в пухлинах можуть виникати послідовно, поки не з'являться злоякісні
клітини з цілою серією мутованих онкогенів і антіонкогенов. Ці клітини
реагують не на зовнішні сигнали, а лише на свої внутрішні помилкові сигнали,
викликаються мутантними білками. Зараз лікар може врятувати хворого від таких
антисоціальних клітин, видаливши весь клон хірургічно або вбивши їх рентгеновимі
променями та спеціальними речовинами, які гублять що діляться клітини. Ці методи
при належному мистецтві лікаря високоефективні й виліковують дуже багатьох.
Однак усі ці способи лікування не дуже вибагливі: нерідко вони не винищують
всі пухлинні клітини або, навпаки, вбивають не тільки пухлинні, але й
нормальні що діляться клітини (наприклад, клітини кісткового мозку) і тому можуть
погубити організм разом з пухлиною. Хтось вдало порівняв пухлинні клітини в
організмі з бандитами в людському суспільстві. Поведінка бандита антисоціальної,
але важко на вигляд відрізнити його від нормальної людини. Настільки ж
важко придумати отруту, який вбивав би тільки бандитів, але був нешкідливий для
хороших людей.
Чим
більше ми знаємо про молекулярні механізми регуляції клітин, тим більше надія
на те, що все ж таки будуть розроблені ліки, що вбивають вибірково тільки
клітини-бандити або, ще краще, що виправляють поведінку цих клітин. Можна
уявити собі кілька підходів до створення таких "виправляють"
ліків:
--
генетична інженерія, тобто введення в геном клітини пухлини відсутніх
антіонкогенов або, навпаки, руйнування онкогена. Генетики називають таке
виборче руйнування одного гена "нокаутом";
--
інактивація патологічної функції онкобелков, наприклад виборче
придушення їх кіназной активності, тобто здатності викликати помилкові сигнали
шляхом приєднання фосфату до інших білків.
Зараз
багато лабораторій і фармакологічні фірми ведуть активну роботу в цьому
напрямі. Однак поки жодного ефективного ліки на основі цих
підходів ще не створено.
Тим
часом не треба забувати, що якщо не всі, то багато мутації, що призводять до
пухлинної трансформації, можна не тільки намагатися виправити, а й ефективно
запобігати. Для цього необхідно запобігти контакти нормальних клітин
організму з мутагенними агентами: променями і хімічними речовинами, які
псують ДНК. Розбір дії таких агентів - завдання окремої статті, але слід
нагадати про найпоширенішому мутагенні, що губить щорічно величезне число
людей, - про тютюновому димі. За підрахунками вчених-епідеміологів, куріння викликає
у багатьох країнах до третини всіх злоякісних пухлин. За багато років у
клітинах легенів у курця виникає ціла серія мутацій онкогенів і
антіонкогенов. Зазвичай потрібно накопичити близько десятка таких мутацій, щоб
змінена клітина дала початок злоякісного клону. Якщо людина перестає
курити на кілька років раніше, ніж з'явилися останні мутації, то рак не
виникне. Спробуємо зберігати наші клітини нормальними, здатними правильно
будувати тканини і правильно вести себе в нашому організмі.
Список літератури
1.
Ченцов Ю. Загальна цитологія: (Введення в біологію клітини). 3-е изд. М.: Изд-во
МГУ, 1995.
2.
Альбертс А., Брей Д., Льюис Р. та ін Молекулярна біологія клітини: У 3 т.: Пер.
з англ. М.: Світ, 1994.
3.
Васильєв Ю.М. Клітка як архітектурне диво. Ч. 1. Живі нитки// Соросівський
Освітній Журнал. 1996. N 2. С. 36-43.
4.
Васильєв Ю.М. Клітка як архітектурне диво. Ч. 2. Цитоскелет, здатний
відчувати і пам'ятати// Там же. N 4. С. 4-10.
5.
Васильєв Ю.М. Соціальне поводження нормальних клітин і антисоціальна поведінка
пухлинних клітин. I. Сигнальні молекули, які призводять до розмноження і загибель клітин
//Там же. 1997. N 4. C.
17-22.
Юрій
Маркович Васильєв, доктор медичних наук, професор, член-кореспондент РАН,
професор кафедри вірусології МГУ, зав. лабораторією Всеросійського
онкологічного наукового центру. Автор 180 наукових праць, включаючи шість
монографій українською та англійською мовами.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.sbio.info
