WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 13 |

«1 Молекулярная биология клетки 2 Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray, Biology Julian Lewis, Martin Raff, of the Cell Keith Roberts, James D. Watson SECOND EDITION Garland Publishing, Inc. ...»

-- [ Страница 8 ] --

Рис. 11-67. Центросоми в интерфазных и митотических животных клетках, окрашенных флуоресцентными антителами к центросомному белку. Эти микрофотографии иллюстрируют удвоение и расхождение центросом в процессе деления клетки. А и Б-интерфаза;

В и Г-профаза;

Д метафаза;

Е-телофа-за. Описание стадий митоза см. в разд. 13.5.1. (S. L. Brenner, B.R. Brinkley, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 46: 241-254, 1981. С любезного разрешения Bill Brinkley.) ческом веретене мышиных ооцитов, хотя позже в ходе развития эмбриона они появляются.

Таким образом, в отличие от аксонемы ресничек, которая вырастает непосредственно из края центриоли (разд. 11.3.10), цитоплазматические микротрубочки прямо от центриоли не растут: для их нуклеации необходимо только облако окружающего центриоль аморфного материала (рис. 11-66). Из чего он состоит, в точности не известно, однако антителами к одному из его белковых компонентов можно окрашивать центр организации микротрубочек как в растительных, так и в животных клетках;

значит, этот белок эволюционно очень консервативен (рис. 11-67). Если центросомы (центриоли вместе с перицентриолярным веществом) выделить из клетки и смешать с очищенным тубулином, они будут быстро инициировать сборку микротрубочек in vitro. В таких микротрубочках, как и в образующихся in vivo, минус-концы погружены в перицентриолярное вещество. При этом каждая изолированная центросома, по-видимому, может дать начало строго определенному числу микротрубочек, и это число близко к тому, которое образует центросома в соответствующей клетке (например, в интерфазном фибробласте - около 250). Создается впечатление, что центросома имеет фиксированное число нуклеирующих элементов.

У растений и простейших встречаются разные типы центров организации микротрубочек. Например, клеточный рот инфузорий снабжен корзинкой - сложной структурой, которая играет роль глотки и состоит из рядов микротрубочек, расходящихся от нижней поверхности трехслойной пластинки (рис. 11-68). С самого начала процесса сборки эти микротрубочки расположены в виде гексагональной решетки: по видимому, этот центр организации содержит соответственно упорядоченную систему нуклеирующих элементов.

11- 11.4.5. Динамическая нестабильность микротрубочек может служить одной из основ клеточного морфогенеза [45] В животных клетках цитоплазматические микротрубочки расходятся во всех направлениях от центросомы, к которой прикреплены их минус-концы. Однако большинство животных клеток обладает полярностью. и сборка молекул тубулина в них регулируется таким образом, что многие микротрубочки направляются к определенным участкам клетки. Еще не вполне ясно, как это достигается, но кажется вероятным, что механизм этого процесса основан на динамической нестабильности микротрубочек.

Как мы уже видели, in vitro отдельные микротрубочки чаще всего находятся в одном из двух состояний: в состоянии постепенного роста или же быстрой, «катастрофической» деполимеризации. В клетке они тоже, по-видимому, существуют в этих двух состояниях. Например, в интерфазных фибробластах в культуре среднее время жизни микротрубочи весьма мало, менее 10 мин. Это означает, что весь массив расходящихся от центросомы микротрубочек непрерывно обновляется - одни микротрубочки деполимеризуются, но вместо них вырастают новые.

Присущая микротрубочкам нестабильность позволяет объяснить, как может регулироваться их рост в определенных нужных направлениях в ползущей клетке, например, к переднему краю, а в делящейся к конденсированным хромосомам (разд. 13.5.4). Микротрубочка, у которой оба конца «открыты», в цитоплазме быстро исчезает. Однако центр организации все время порождает новые трубочки. Они направлены случайным образом, а их минус-концы защищены от деполимеризации, Рис. 11-68. Большой и необычайно упорядоченный центр организации микротрубочек в области ротовой корзинки (цитофаринкса) инфузории Nassula. Микротрубочки растут регулярным гексагональным пучком от поверхности плоского трехслойного листка, образующего один из элементов сложного ротового аппарата этой клетки. (J. В. Tucker, J. Cell Sci. 6: 385-429, 1970.) так как заякорены в центре организации. Растущая из такого центра микротрубочка может стать стабильной при условии, что ее плюс-конец окажется каким-то образом закрыт - «кэпирован» - и поэтому не будет распадаться. Если микротрубочку кэпировала структура, находящаяся в определенном участке клетки, то между этой структурой и центром организации микротрубочек образуется довольно устойчивая связь. Таким образом, микротрубочки, берущие начало в своем центре организации, могут избирательно стабилизироваться событиями, происходящими в других участках клетки. Как полагают, именно таким путем какие-то не известные пока структуры или факторы, локализованные в определенных областях клеточного кортекса и «захватывающие» плюс-концы микротрубочек, влияют на полярность клеток. Аналогичным образом могла бы определяться и плоскость деления клетки (разд. 13.5.13).

Во многих клетках первоначальная стабилизация микротрубочек путем кэпирования их плюс-концов в дальнейшем закрепляется другими механизмами, обеспечивающими более устойчивую поляризацию клетки. К рассмотрению этих механизмов мы сейчас и перейдем.

11.4.6. Микротрубочки постепенно «созревают» благодаря посттрансляционным модификациям, которым подвергаются их тубулиновые субъединицы [46] Непрерывное образование и исчезновение микротрубочек характерно: для клеток, претерпевающих значительную внутреннюю реорганизацию, например делящихся или ползущих по субстрату. Если же клетки становятся частью сформировавшейся ткани, их микротрубочки превращаются в относительно постоянные структуры, особенно в таких клетках, которые, дифференцировавшись, больше уже не делятся (например, нейронах). Это своеобразное «созревание» микротрубочек отчасти зависит от посттрансляционной модификации молекул тубулина и отчасти - от взаимодействия со специфическими белками, ассоциированными с микротрубочками.

Ряд ферментов модифицирует определенные аминокислоты в тубулине. Один из них - тубулин-ацетилтрансфераза, ацетилирующая один из лизиновых остатков -тубулина. У Chlamydomonas этот фермент находится главным образом в аксонеме жгутика;

по-видимому, он ацетилирует молекулы тубулина после их присоединения к дистальному концу аксонемы (разд. 11.3.2). Специфическая дезацетилаза содержится в цитоплазме и удаляет ацетильные группы с неполимерного тубулина. В результате такой локализации этих двух ферментов у Chlamydomonas молекулы тубулина в микротрубочках аксонемы ацетилированы, а в цитоплазматических микротрубочках, большая часть которых быстро обновляется, в основном неацетилированы. Ниже мы еще коснемся вопроса о возможных последствиях ацетилирования тубулина.

Второй, менее обычный способ модификации тубулина - это удаление С-концевого тирозина у молекул -тубулина, включенных в микротрубочку. Отщепление тирозина катализируется специальным ферментом, имеющимся в цитоплазме многих клеток позвоночных. Как и в случае ацетилирования, есть и фермент, осуществляющий обратную реакцию-восстановление тирозина на С-конце деполимеризованных молекул тубулина. В клетках с быстро обновляющимися микротрубочками большинство молекул тубулина находится в их составе в исходной форме (с тирозином), так как просто не успевают детирозилироваться до отделения от полимера. Зато все более «старые» микротрубочки-те, что «сумели сохраниться» за короткое время обновления,-оказываются обогащены детирозилированным тубулином. Таким образом, и ацети- лирование, и детирозилирование служат маркерами превращения микротрубочек из временно стабилизированной формы в гораздо более устойчивую (рис. 11-69). Если культуру фибробластов обработать препаратом, вызывающим деполимеризацию микротрубочек (разд, 11.4.1), то окажется, что немногие сохранившиеся микротрубочки способны избирательно связывать антитела, узнающие ацетилированную или детирозилированную форму тубулина.

Микротрубочки, образующиеся из ацетилированного и детирозили-рованного тубулина in vitro, ничуть не более устойчивы, чем образованные из обычного, немодифицированного тубулина;

значит, модификации, видимо, служат лишь «сигналом» для связывания специфических белков, которые уже стабилизируют микротрубочки и изменяют их свойства в клетках.

11.4.7. Свойства цитоплазматических микротрубочек изменяются под влиянием белков, которые с ними связаны [47] Посттрансляционные модификации тубулина, во-первых, маркируют микротрубочки как «зрелые» и, во-вторых, способствуют их стабилизации. Однако наиболее значительные и важные модификации, которым подвергаются микротрубочки, обусловлены присоединением к ним других белков. Эти- белки, ассоциированные с микротрубочками (БАМ, или MAPs-microtubule-associated proteins), повышают устойчивость микротрубочек к деполимеризации и обеспечивают взаимодействие их с другими компонентами клетки. Зная, сколь разнообразны в клетках функции микротрубочек, можно ожидать, что должно существовать много разных видов БАМ.

Две важные группы БАМ, которые можно выделить из мозга вместе с микротрубочками, - это высокомолекулярные белки (с мол. массой около 200-300 тыс. и даже больше) и may-белки (с мол. массой 40-60 тыс.). Белки обеих групп имеют два домена, один из которых ответствен за связывание с микротрубочками;

так как этот домен соединяется одновременно с несколькими неполимерными молекулами тубулина, БАМ ускоряют нуклеацию микротрубочек in vitro. Другой домен, как полагают, обеспечивает взаимодействие микротрубочек с другими клеточными компонентами (рис. 11-70). И высокомолекулярные БАМ, и тау-белки «сидят» на микротрубочках цитоплазмы по всей их длине, что показано с помощью антител к этим белкам.

Выделено уже немало белков, которые избирательно связываются с микротрубочками. Функции большинства из них не известны.

Некоторые, вероятно, играют роль структурных компонентов, стабилизируя микротрубочки и обеспечивая постоянную связь их с другими Рис. 11-69. Иммунофлуоресцентные микрофотографии, на которых видно, что одни микротрубочки в цитоплазме культивируемой клетки весьма динамичны (А), а другие относительно стабильны (В). В клетку инъецировали тубулин, ковалентне связанный с небольшой молекулой - биотином;

через час клетку окрашивали сначала меченными флуоресцеином антителами к биотину, а затем антителами к тубулину, меченными другим флуоресцентным красителем - родамином. Быстро обновлявшиеся микротрубочки включали биотинилированный тубулин и поэтому выявлялись антителами к биотину (А), которые покрывали микротрубочки и препятствовали связыванию антител к тубулину. В стабильные микротрубочки биотинилированный тубулин не включался, поэтому они не окрашивались антителами к биотину, но зато красились антителами к тубулину (Б). Стабильные микротрубочки окрашиваются также антителами, узнающими детирозилированный или ацетилированный тубулин. (С любезного разрешения Eric Schulze и Marc Kirschner.) Рис. 11-70. Регулярно расположенные «боковые ручки», образованные на микротрубочке крупным ассоциированным с микротрубочками белком (БАМ-2) из мозга позвоночных. На электронной микрофотографии показан участок микротрубочки, с которым связано много молекул БАМ-2. Часть молекулы БАМ-2 отходит от микротрубочки в сторону, как показано на схеме внизу (Фото любезно предоставили William Voter и Harold Erickson.) компонентами клетки (в том числе с другими элементами цитоскелета и мембранами некоторых органелл);

другие же ответственны за перемещение органелл вдоль по микротрубочкам.

11- 11.4.8. Микротрубочки часто направляют передвижение органелл в цитоплазме [48] Если мы рассмотрим живую клетку позвоночного животного в фазово-конграстный микроскоп или в микроскоп с дифференциальным интерференционным контрастом (разд. 4.1.5), мы увидим, что ее цитоплазма находится в непрестанном движении. Митохондрии и более мелкие мембранные органеллы за несколько минут успевают изменить свое местоположение в клетке путем характерных периодических скачков, которые слишком упорядоченны и направленны, чтобы их можно было спутать со столь же безостановочным броуновским движением-результатом случайного теплового движения молекул. Многие из таких внутриклеточных перемещений происходят в тесной связи с микротрубочками. Если клетку, в которой движутся органеллы, быстро зафиксировать и приготовить из нее срезы для электронной микроскопии, то можно увидеть, что мембрана таких органелл зачастую соединена с микротрубочками цитоплазмы тонкими нитевидными структурами. Можно предположить поэтому, что микротрубочки играют важную роль в подобном движении, хотя, как мы уже говорили (разд. 11.2.4), некоторые перемещения пузырьков в цитоплазме происходят вдоль актиновых филаментов, а не микротрубочек. Наиболее яркой демонстрацией транспортной роли микротрубочек явилось изучение быстрого аксонного транспорта в нервных клетках, где перемещение мембранных пузырьков в обоих направлениях по аксону - между телом клетки и нервным окончанием - идет с большой интенсивностью.

11.4.9. Кинезин и цитоплазматический динеин осуществляют движение пузырьков вдоль микротрубочек аксона в противоположных направлениях, используя энергию гидролиза АТР [49] Гигантский аксон кальмара можно извлечь из тела животного, а его цитоплазму выдавить, как зубную пасту из тюбика. Если капельку выдавленной аксоплазмы расплющить покровным стеклом и заснять через микроскоп на видеопленку (разд. 4.1.6), то можно увидеть, как органеллы движутся вдоль тонких нитевидных «дорожек». Методом иммунофлуоресценции в сочетании с электронной микроскопией удается показать, что эти «дорожки» представляют собой отдельные микротрубочки.

Выделенные внутриклеточные пузырьки и даже искусственные частицы вроде полистироловых шариков способны связываться с микротрубочками в выдавленной аксоплазме и двигаться вдоль этих микротрубочек практически так же, как это происходит в живой клетке.

Поскольку выдавленная аксоплазма больше не укрыта плазматической мембраной, можно без труда изменять содержание в ней различных ионов и низкомолекулярных веществ и исследовать их влияние на аксонный транспорт. Таким образом было показано, что AMPPNP-негидролизуемый аналог АТР - останавливает транспорт и фиксирует органеллы в неподвижном, связанном с микротрубочками состоянии.

Такой эффект AMPPNP позволяет выявить компоненты, ответственные за перемещение пузырьков. При поиске в экстрактах аксоплаз- Рис. 11-71. Кинезин и цитоплазматический динеин-крупные белки, ассоциированные с микротрубочками (БАМ), которые способны двигаться по микротрубочке в противоположных направлениях, используя энергию гидролиза АТР (А). Эти белки представляют собой комплексы из двух одинаковых «тяжелых цепей» и нескольких меньших «легких цепей». Каждая тяжелая цепь образует глобулярную головку, с помощью которой белок при участии АТР присоединяется к микротрубочке. Таким образом, подобно миозину, кинезин (Б, показаны четыре молекулы) и цитоплазматический динеин (В, две молекулы) имеют две головки. В отличие от этого динеин ресничек (Г) имеет три головки (см. рис. 11-57).

[Электронные микрофотографии получил John Heuser методом замораживания-травления;

белки выделили Trina Schroer, Jeff Gelles, Michael Scheetz ();

Eric Steuer (B);

Ursula Goodenough (Г).] мы белков, которые связываются с микротрубочками в присутствии AMPPNP, но отделяются от них при добавлении АТР, был выделен крупный белковый комплекс, названный кинезином. Кинезин оказался АТРазой, использующей энергию гидролиза АТР для однонаправленного перемещения пузырьков вдоль по микротрубочке (разд. 3.4.11). Это движение осуществляется со скоростью от 0,5 до 2 мкм/с, без перерывов и скачков, характерных для движения в интактном аксоне и обусловленных, как полагают, частыми столкновениями перемещаемого пузырька с различными элементами цитоплазмы.

Направление движения, создаваемого кинезином, было определено с помощью полистироловых шариков, которые перемещались по микротрубочкам, полимеризованным in vitro на центросомах. В то время как неочищенные экстракты аксоплазмы перемещают частицы в обоих направлениях, очищенный кинезин обеспечивает транспорт только в одном направлении-«наружу», т.е. к плюс-концам микротрубочек (напомним, что динеин в ресничках осуществляет движение в противоположном направлении-см. разд. 11.3.10). Поскольку микротрубочки в аксоне, как известно, ориентированы плюс-концами от тела клетки (см. рис. 11-63), перемещение пузырьков с помощью кинезина должно быть направлено от тела к кончику аксона. Кажется вероятным, что за транспорт в обратном направлении ответствен динеиноподобный белок. И действительно, недавно из нескольких источников, включая мозг млекопитающего, был выделен высокомолекулярный БАМ с такими свойствами (рис. 11-71).

Этот белок был назван цитоплазматическим динеином.

11.4.10. Микротрубочки определяют местоположение эндоплазматического ретнкулума и аппарата Гольджи внутри клетки [50] Двигательные белки, сходные с кинезином и динеином, существуют не только в нейронах. По-видимому, они имеются во всех клетках, где есть микротрубочки, и ряд важных организующих функций микротрубочек осуществляется, судя по всему, именно благодаря этим белкам. Как показали недавние исследования in vitro, кинезин прикрепляется к мембране эндоплазматического ретикулума и может растягивать ее вдоль ориентированных микротрубочек, превращая эту органеллу в характерную сложную сеть. Работы, проведенные на интактных клетках, тоже указывают на то, что ретикулум растягивается по ходу микротрубочек в направлении от центросомы, как и следует ожидать, если это происходит при участии кинезина. Наконец, иммунофлуоресцентными методами показано, что тонкие края цистерн ретикулума в периферических участках клеток часто располагаются вдоль микротрубочек (рис. 11-72, А и Б).

Рис. 11-72. Расположение мембран эндоплазматического ретикулума (ЭР) и микротрубочек в культивируемых клетках. А.

Иммунофлуоресцентное окрашивание белков ЭР выявляет цистерны ЭР в виде кружевной сети на периферии клеток. Б. Расположение микротрубочек в той же клетке. В, Г и Д. Влияние микротрубочек на аппарат Гольджи. Если в культивируемой клетке одновременно окрасить флуоресцентными антителами и микротрубочки (В), и мембраны Гольджи (Г), последние обнаружатся в виде скопления вокруг центросомы. Но если клетку обработать нокодазолом, вызывающим деполимеризацию микротрубочек, то мембраны Гольджи будут распределены по всей цитоплазме (Д), как это бывает во время митоза. [С любезного разрешения Mark Terasaki и Lan Во Chen (A, Б);

Viki Allan и Thomas Kreis (В, Г. Д).] В то время как мембрана эндоплазматического ретикулума активно перемещается в сторону от центросоми по «дорожкам» из микротрубочек (оставаясь соединенной на другом конце с ядерной оболочкой), мембраны цистерн Гольджи, по-видимому, транспортируются в обратном направлении, как если бы они были связаны с динеиноподобными белками;

в результате аппарат Гольджи оказывается вблизи центросомы (рис. 11-72,5 и Г). И аппарат Гольджи, и эндоплазматический ретикулум во время митоза подвергаются сильной фрагментации (разд.

13.5.16), и когда потом в цитоплазме вновь образуются микротрубочки, именно их ориентация, вероятно, направляет восстановление этих органелл из мелких пузырьков и фрагментов мембран (рис. 11-72, Д).

Заключение Микротрубочки образуются путем полимеризации молекул тубулина, после чего эти молекулы гидролизуют прочно связанный с ними GTP (этот процесс несколько отстает от полимеризации). Микротрубочки растут медленно, нестабильны и склонны к взрывообразной, «катастрофической» деполимеризации: однако они могут стабилизироваться при ассоциации с другими структурами, которые прикрывают («кэпируют») их концы. Центры организации микротрубочек, такие как центросомы, все время инициируют образование новых микротрубочек, которые растут в случайных направлениях. Любая микротрубочка, которая натолкнется на какую-либо структуру, способную кэпировать свободный плюс-конец этой микротрубочки, будет избирательно стабилизирована, тогда как другие со временем деполимеризуются. Полагают, что именно этот процесс в основном определяет полярность и расположение систем микротрубочек в клетке.

В тех микротрубочках, которые образовались в нужных местах, субъединицы тубулина подвергаются модификации - ацетилированию и детирозилированию. Эти модификации играют роль «маркеров» зрелых микротрубочек и создают участки для связывания специальных белков, ассоциированных с микротрубочками (БАМ), которые еще больше повышают устойчивость микротрубочек к деполимеризации и адаптируют их для выполнения специфических функций в клетке. Особая группа таких белков использует энергию гидролиза АТР для однонаправленного перемещения вдоль по микротрубочке, обеспечивая этим направленное движение в цитоплазме клеточных органелл и их правильную пространственную организацию.

11.5. Промежуточные филаменты [51] Промежуточные филаменты (ПФ)-это жесткие и прочные белковые волокна в цитоплазме большинства клеток высших эукариот.

Структура их напоминает переплетенные канаты, а толщина составляет 8-10 нм, т. е. промежуточная между толщиной толстых и тонких филаментов в мышцах, где ПФ были впервые описаны;

по толщине они занимают также промежуточное место между актиновыми филаментами и микротрубочками. В большинстве животных клеток они формируют характерную «корзинку» вокруг ядра, откуда по слегка искривленным путям тянутся к периферии клетки. Особенно много ПФ там, где клети подвергаются механическим нагрузкам, например в эпителиях, где это нити участвуют в соединении клеток друг с другом (при помощн десмосом, см. разд.

14.1.4), в нервных волокнах и во всей цитоплазме гладкомышечных клеток. При экстракции клеток растворами с высокой и низкой ионной силой и солюбилизации неионными детергентами ПФ остаются целыми, тогда как большая часть остальных цитоскелетных структур разрушается.

Фактически термин «цитоскелет» был первоначально введен именно для обозначения этих чрезвычайно стойких и нерастворимых волокон.

11.5.1. Промежуточные филаменты образуются из фибриллярных полипептидов четырех типов [51, 52] В отличие от мономеров актина и тубулина, которые представляют собой глобулярные белки, субъединицы ПФ имеют вытянутую, фибриллярную форму. Они объединяются в продольные пучки, где перекрываются по длине, так что образуют длинные нити с высокой механической прочностью. В латеральных взаимодействиях, за счет которых строятся ПФ, нередко участвует лишь часть молекулы белковой субъединицы ПФ, поэтому структура остальной ее части может значительно варьировать, не изменяя общего строения нити. В связи с этим ПФ в отличие от актиновых филаментов и микротрубочек построены из полипептидов с весьма различной молекулярной массой - от 40 до 130 тыс. в зависимости от типа клеток.

Промежуточные филаменты по их первичной структуре делят на четыре большие группы (табл. 11-5). Белки ПФ типа I наиболее характерны для эпителиальных клеток и включают два подсемейства керати- Таблица 11-5. Главные типы белков промежуточных филаментов Образующий полипептид (мол. масса) Локализация Тип І Кислые кератины (40000-70000) Эпителиальные клетки и производные эпидермиса Нейтральные и основные кератины (40 000-70 000) (волосы, ногти и т.п.) Тип II Виментин (53000) Многие клетки мезенхимного происхождения;

часто экспрес-сируется клетками в культуре Мышечные клетки Десмин (52000) Глиальные клетки (астроциты и некоторые шванновские Глиальный фибриллярный кислый белок (45000) клетки) Тип III Белки нейрофиламентов (около 1300001), 1000001) и 60000) Нейроны Типы IV Ядерные ламины А, В и С (65000 -75000) Ядерная ламина во всех клетках 1) Из-за того, что эти белки при электрофорезе в гелях с додецилсульфатом натрия мигрируют аномально медленно, раньше их молекулярную массу считали большей.

Рис. 11-73. Иммунофлуоресцентная микрофотография эпителиальных клеток кенгуровой крысы (РtК2) в интерфазе. Клетки окрашены одновременно антителами к виментину (А) и к кератину (Б). Обратите внимание, что содержащиеся в клетке системы виментиновых и кератиновых филаментов существуют раздельно, хотя и имеют сходное распределение. (С любезного разрешения Магу Osborn.) нов: кислые кератины и нейтральные или основные кератины. Кератиновые филаменты - всегда гетерополимеры, образованные поровну субъединицами каждого из этих двух подсемейств. Вообще кератины - самая обширная группа белков ПФ;

известно уже не менее 19 различных форм в составе эпителиев человека и еще 8 в волосах и ногтях. Многие типы эпителиев, различающихся морфологически и функционально, синтезируют также разные формы кератинов.

К белкам ПФ типа II относятся 1) виментин, 2) десмин и 3) глиальный фибриллярный кислый белок. Виментин широко распространен в клетках мезенхимного происхождения, включая фибробласты, клетки эндотелия кровеносных сосудов и лейкоциты;

он часто образуется в культивируемых клетках и временно появляется в различных клетках в ходе онтогенеза. Десмин содержится в клетках мышц, как гладких, так и поперечнополосатых, а глиальный фибриллярный кислый белок образует глиальные филаменты в определенного рода клетках глии (астроцитах и некоторых шванновских клетках) в нервной системе. Все эти белки способны in vitro к самосборке с образованием гомополимеров, а также к образованию гетерополимеров с другими белками типа II. Последняя способность проявляется и in vivo: в клетках некоторых типов были обнаружены сополимеры виментина с десмином и виментина с глиальным фибриллярным кислым белком.

Из белков ПФ типа III построены нейрофиламенты - важный компонент цитоскелета в аксонах и дендритах нервных клеток. У позвоночных три таких белка, их называют «нейрофиламентным триплетом». И наконец, белки ПФ типа lV-это ядерные ламины (разд. 11.5.5);

они сходны с другими белками ПФ по аминокислотной последовательности, но имеют несколько характерных отличий. Наиболее примечательно то, что они образуют высокоупорядоченные двумерные сети из филаментов, подвергающиеся быстрой разборке и сборке на определенных стадиях митоза.

Все клетки эукариот синтезируют ядерные ламины и по крайней мере один тип цитоплазматических белков ПФ. В некоторых клетках есть цитоплазматические ПФ двух типов, образующие раздельные структу- ры. Таковы, например, некоторые эпителиальные клетки, содержащие отдельные системы кератиновых и виментиновых филаментов (рис, 11-73).

11- 11.5.2. Промежуточные филаменты образуются из димерных субъединиц со стержневидным срединным доменом [53] Несмотря на значительную разницу в размерах, все белки ПФ цитоплазмы кодируются генами одного мультигенного семейства. У всех этих белков в первичной структуре полипептида есть гомологичный срединный участок примерно из 310 аминокислот, образующий протяженную а-спираль с тремя короткими не--спиральными вставками (рис. 11-74). Кроме того, большие отрезки этой срединной области имеют последовательность, характерную для полипептидов, способных к образованию спирали из двух спиралей (см. разд. 11.1.6). Подобно тропомиозину или хвосту мышечного миозина, эта двухцепочечная спираль представляет собой димер из двух одинаковых полипептидов ПФ. Эти две цепи в гомодимере ПФ уложены параллельно друг другу, причем к срединному стержневидному домену примыкают на обоих концах глобулярные домены. При сборке ПФ стержневидные домены взаимодействуют друг с другом и формируют однородную сердцевину филамента, а глобулярные, величина которых сильно варьирует у разных белков ПФ, выступают с поверхности филамента наружу. Одна из моделей сборки ПФ из димерных субъединиц показана на рис. 11-75.

11.5.3. Промежуточные филаменты простираются от ядерной оболочки до периферии клетки [54] Если окрасить культивируемые клетки антителами к одному из цитоплазматических белков ПФ (например, виментину), то обычно будет видна ажурная сеть нитей, окружающая ядро и охватывающая всю, цитоплазму (см. рис. 11-73). По структуре эта сеть отлична от других компонентов цитоскелета, хотя местами ее нити, по-видимому, идут параллельно микротрубочкам цитоплазмы. Вероятно, организация цитоплазматических ПФ зависит от взаимодействия с микротрубочками, так как деполимеризация микротрубочек при обработке веществами типа колхицина ведет к «осаждению» всей сети ПФ в виде околоядерной «шапки». Можно думать, что многие ПФ цитоплазмы связаны с ядерной оболочкой и в норме оттягиваются от нее к периферии клетки микротрубочками, с которыми они соединены.

Организация ПФ в цитоплазме может также определяться их взаимодействием с плазматической мембраной. В эритроцитах птиц (которые Рис. 11-74. У всех белков промежуточных филаментов имеется гомологичная центральная область (около 310 аминокислотных остатков), формирующая протяженную -спираль с тремя короткими участками иной структуры. N-концевой и С-концевой домены не состоят из -спирали и сильно варьируют по размерам и последовательности аминокислот у белков разных промежуточных филаментов.

Рис. 11-75. Одна из современных моделей сборки промежуточных фнламентов (ПФ). Мономер (А) объединяется с таким же мономером, образуя димер (Б), в котором консервативные -спиральные участки лежат параллельно, обвиваясь друг около друга. Затем два таких димера укладываются бок о бок, образуя протофиламент длиной 48 нм и толщиной 3 нм, который состоит из четырех полипептидных цепей (В). Такие протофиламенты затем образуют все более крупные структуры, укладываясь с продольным сдвигом (Г и Д). Окончательная структура промежуточного филамента толщиной 10 нм состоит из восьми рядов протофиламентов (32 полипептидных цепей), соединенных в длинный тяж, похожий на канат (Е). Вверху представлена электронная микрофотография такого «окончательного» филамента. Неизвестно, являются ли ПФ полярными структурами, как актин и тубулин, или неполярными, как двойная спираль ДНК (или, что то же самое, лежат ли две скрученные спирали в составе протофиламента в параллельной ориентации или же в антипараллельной. (Микрофотография любезно предоставлена N. Geisler и К. Weber.) в отличие от эритроцитов млекопитающих имеют ядро и ПФ) виментин, как полагают, связан с плазматической мембраной через анкирин (разд.

6.2,4). В эпителиальных клетках кератиновые ПФ присоединены к плазматической мембране в десмосомах - специализированных межклеточных соединениях, помогающих удерживать соседние клетки вместе (разд. 14.1.4). Так как кератиновые филаменты каждой клетки через десмосомы соединены с такими же филаментами соседних клеток, они образуют непрерывную сеть, охватывающую весь эпителий.

11- 11.5.4. Сборка промежуточных филаментов может контролироваться с помощью фосфорилирования [55] Изолированные промежуточные филаменты (ПФ) в ионной среде, соответствующей цитоплазме, чрезвычайно стабильны;

более того, сколько-нибудь значительного пула неполимеризованных белков ПФ (какой имеется в случае актина и тубулина) в клетке нет. И все же клетка явно может регулировать число, длину и расположение своих промежуточных филаментов, что указывает на ее способность контролировать их сборку и разборку. Важный фактор этого контроля-фосфорилирование определенных остатков в белках ПФ. Виментин, например, существует как в нефосфорилированной, так и в фосфорилированной форме. Если фосфорилировать изолированные виментиновые нити с помощью протеинкиназы, они распадаются на меньшие фрагменты. Однако самый впечатляющий пример того, насколько важную роль играет в контроле разборки ПФ фосфорилирование, - это ядерные ламины, которые подвергаются деполимеризации всякий раз, когда клетка вступает в митоз, 11.5.5. Ядерная ламина образована особым классом промежуточных филаментов [56] Ядерная ламина - это белковая сеть (обычно толщиной от 10 до 20 нм), подстилающая изнутри поверхность внутренней ядерной мембраны (см. рис. 9-1). Она представляет собой прямоугольную решетку из промежуточных филаментов (рис. 11-76, Д), построенных у млекопитающих из трех белков ПФ типа Vl-ламинов А, В и С (см. рис. 11-74 и табл. 11-3), Ламины образуют димеры, у которых имеется стержневидный домен и две глобулярные головки на одном из концов (рис. 11-76, Б). При подходящих рН и ионной силе димеры самопроизвольно ассоциируют, образуя филаменты, которые по толщине и повторяющейся структуре сходны с цитоплазматическими ПФ.

Однако по ряду признаков ядерные ламины отличаются от белков ПФ цитоплазмы. Наиболее очевидное отличие-это организация образуемых филаментов в прямоугольную решетку (рис. 11-76, А), хотя для такой организации, видимо, необходимо объединение их с другими белками. Кроме того, ядерная ламина - структура очень динамичная. Когда клетки млекопитающих вступают в митоз, кратковременное фосфорилирование нескольких остатков серина в ламинах вызывает обратимую диссоциацию ядерной ламины на тетрамеры гиперфосфорилированных ламинов А и С и связанного с мембраной ламина В. При возвращении клетки в интерфазу ламины дефосфорилируются, и вокруг разошедшихся хромосом вновь образуется цельная ядерная оболочка (разд. 13.5.11).

11.5.6. Кератиновые филаменты удивительно разнообразны [52] Из всех типов промежуточных филаментов наиболее стабильные и долгоживущие - кератиновые, они же и самые разнообразные.

Эпителии с примитивной организацией, например в развивающемся эмбрионе, а также некоторые зрелые ткани (такие, как печень) содержат кератины двух типов - один кислый и один нейтральный. В эпителиях других органов (например, языка, мочевого пузыря, потовых желез) имеются шесть или больше различных кератинов, причем их конкретный спектр зависит от анатомической локализации. Кератиновые филаменты ввиду их многообразия и стабильности могут служить своего рода «отпечатками пальцев», позволяющими уточнить происхождение некоторых опухолей эпителиальной природы.

Еще разнообразнее кератины в эпидермисе, который представляет собой плотный многослойный эпителий (разд. 17.4.2). В клетках разных слоев эпидермиса экспрессируются разные наборы кератинов. Кератиновые филаменты в них постепенно сшиваются поперечными ковалентными связями друг с другом и с ассоциированными белками, и по мере Рис. 11-76. А. Электронная микрофотография участка ядерной ламины в ооците Xenopus (препарат получен методом лиофилизации и напыления металлом). Ламину образует высокоупорядоченная прямоугольная сеть из промежуточных филаментов, состоящих из ядерных ламинов.

Б. Изолированные димеры ламина (L) (электронная микрофотография, напыление металлом). По форме они напоминают мышечный миозин (М): у них есть стержневидный хвост и две глобулярные головки, но они гораздо меньше. Глобулярные головки образованы двумя большими С концевыми доменами. (С любезного разрешения Ueli Aebi.) гибели клеток в самых наружных слоях эпидермиса поперечносшитый кератиновый скелет становится важнейшим защитным барьером на поверхности тела. Специализированные эпителиальные клетки, образующие такие поверхностные структуры, как волосы, когти и перья, обеспечивают дополнительные локальные вариации в наборе кератинов. Таким образом, промежуточные филаменты защищают животное от потери тепла и воды, предоставляют ему «оружие» и средства камуфляжа или, наоборот, привлечения партнера (окраска).

11.5.7. Какова функция промежуточных филаментов?

Животные клетки могут обходиться и без промежуточных филаментов. В ЦНС глиальные клетки, вырабатывающие миелин, совершенно лишены их. Если культивируемым фибробластам сделать внутриклеточную инъекцию антител к белкам промежуточных филаментов, то последние разрушатся, и это не окажет заметного влияния на организацию или поведение клеток. Кажется вероятным, что главная функция большинства ПФ состоит в чисто механической «поддержке» клетки и ее ядра. Промежуточные филаменты в эпидермальных пластах образуют «трансклеточную» (соединяющую множество клеток воедино) сеть, роль которой, скорее всего, заключается в противодействии внешним нагрузкам. Нейрофиламенты в нервных волокнах противостоят механическим деформациям, возникающим при движении животного, иначе эти длинные тонкие цилиндры из цитоплазмы легко рвались бы. Десминовые нити в клетках мышц создают механическую опору для саркомеров, а виментиновые окружают (и, вероятно, поддерживают) крупные жировые капли в жировых клетках.

Но если функция промежуточных филаментов сводится всего лишь к сопротивлению растягивающим силам, для чего нужно так много различных вариантов их белковых субъединиц? Какова роль вариабельных частей их молекул - ведь они как будто бы не участвуют в построении самого филамента? Детальных ответов на эти вопросы пока нет, но ясно, что как характер опорной функции промежуточных филаментов, так и способ их соединения с другими компонентами клетки сильно различаются в клетках разного типа. Например, десминовые филаменты, скрепляющие края Z-дисков в поперечнополосатых мышцах, по-видимому, имеют участки для связывания специфических белков Z-диска;

нейрофиламенты подвергаются меньшим нагрузкам, но они могут соединяться вместе боковыми поверхностями, образуя непрерывный «трос» до метра и больше длиной;

вероятно, именно поэтому Рис. 11-77. Электронная микрофотография промежуточных филаментов двух типов, встречающихся в нервной ткани (препарат после быстрого замораживания и глубокого травления). А. Нейрофиламенты в аксоне соединены многочисленными поперечными белковыми сшивками;

как полагают, такая организация придает этому длинному клеточному отростку большую прочность на разрыв. По-видимому, сшивки образованы длинными неспиральными участками С-концевой части наиболее крупного белка нейрофиламентов (см. рис. 11-74). Б. Промежуточные филаменты (называемые глиальными филаментами) в астроците. Они подвергаются меньшим механическим нагрузкам. Их поверхность довольно гладкая, и поперечных сшивок между ними мало. (С любезного разрешения N. Hirokawa.) нейрофиламенты имеют по всей своей длине большие выступы, которых нет у других промежуточных филаментов (рис. 11-77).

Различные потенции к связыванию других белков могут обеспечиваться вариабельными участками белков промежуточных филаментов, Влияя на свойства филамента, эти вариабельные участки определяют не только его способность к самосборке, но и то, как он будет взаимодействовать с другими компонентами клетки (например, с микротрубочками и плазматической мембраной). Это совершенно иная стратегии чем в случае двух других важнейших элементов цитоскелета - актиновных филаментов и микротрубочек;

как мы уже знаем, эти полимеры в основном инвариантны по структуре, а к выполнению различных функций они приспосабливаются с помощью разных наборов актин-связывающих белков и белков, ассоциированных с микротрубочками. Таким образом, роль вариабельных участков в белках промежуточных филаментов та же, что и у вспомогательных белков актиновых филаментов и микро-трубочек, - разница лишь в том, что одни ковалентно связаны с субъединицами филамента, а другие представляют собой отдельные молекулы.

Заключение Промежуточные филаменты (ПФ) - это полимеры, по структуре подобные канатам, собранным из нитевидных полипептидов. По видимому, они поддерживают структуру клеток или противостоят растягивающим нагрузкам. Существует много тканеспецифических форм ПФ, построенных из различных полипептидов: кератиновые филаменты эпителиальных клеток, нейрофиламенты нейронов, глиальные филаменты астроцитов и шванновских клеток, десминовые филаменты мышечньа волокон и виментиновые филаменты фибробластов и клеток многих других типов. Отдельное семейство белков ПФ составляют ядерные ламины, из которых построена волокнистая пленка (ламина), выстилающая изнутри оболочку ядра;

они имеются во всех эукариотических клетках.

Полипептиды, входящие в состав промежуточных филаментов различных типов, различаются по аминокислотной последовательности, а также - и очень сильно - по молекулярной массе. Однако у всех имеется гомологичный центральный домен, который при димеризации белка образует жесткую структуру из обвивающих друг друга спиралей. Такие димерные субъединицы складываются в большие пучки «внахлест», формируя промежуточные филаменты. Стержневидные домены субъединиц при этом создают структурную сердцевину ПФ, а глобулярные домены на обоих концах выступают наружу и обусловливают разнообразие свойств ПФ. Именно благодаря этой вариабельности механические свойства ПФ и взаимодействия их с другими клеточными компонентами приспособлены к специфическим нуждам клеток того или иного типа.

11.6. Организация цитоскелета До сих пор мы рассматривали микротрубочки, актиновые филаменты и промежуточные филаменты так, как будто это независимые составные части цитоскелета. В действительности, конечно, различные элементы цитоскелета должны быть связаны в единое целое, а их функции скоординированы, чтобы клетка могла осуществлять разного рода движения и изменять свою форму. Например, когда находящийся в культуре фибробласт округляется, готовясь к делению, реорганизуется весь его цитоскелет в целом: исчезают стрессовые волокна и цитоплазматические микротрубочки, появляется митотическое веретено, а затем и сократимое кольцо, и все это происходит как единая контролируемая цепь событий.

В этом разделе мы рассмотрим взаимодействия между главными системами филаментов цитоскелета в связи с тремя его функциями.

Сначала мы выясним, каким образом цитоскелет организует содержимое цитоплазмы, включая те ее компоненты, которые обычно считают свободно растворенными. Затем мы перейдем к вопросу о том, как координированная работа цитоскелета обеспечивает направленное передвижение животной клетки по твердому субстрату. И наконец, мы обсудим, как цитоскелет порождает те многочисленные морфологические изменения, которые происходят в процессе развития зародыша. В результате этого рассмотрения станет ясно, насколько фрагментарны пока наши представления о молекулярных механизмах этих фундаментальных процессов.

11.6.1. В цитоплазме имеется сложная трехмерная сеть белковых нитей [58] Мы уже знаем, что кортикальная цитоплазма многих животных клеток содержит сети из поперечносшитых актиновых филаментов.

Подобные же сети, но образованные взаимодействующими актиновыми филаментами, микротрубочками и промежуточными филаментами, пронизывают всю цитоплазму. Наиболее отчетливо они видны после экстракции клеток неионным детергентом, которая удаляет фосфолипиды и растворимые белки. Если обработанные таким образом клетки быстро заморозить и подвергнуть глубокому травлению, то металлическая реплика с полученного препарата выявит поразительную картину цитоскелета (рис. 11-78). Различные типы белковых филаментов можно распознать по их толщине, а в некоторых случаях и по расположению их белковых субъединиц. Часто бывает видно, что соседние филаменты соединены более тонкими нитями, белки которых тоже были в ряде случаев идентифицированы с помощью антител. Это оказались различные виды белков, ассоциированных с микротрубочками, и длинные гибкие боковые отростки, отходящие от субъединиц промежуточных филаментов некоторых типов (см. рис. 11-77, А). Однако в большинстве случаев белки, образующие поперечные сшивки, пока не известны.

В клетках, не обработанных детергентом, структура цитоплазмы еще сложнее. Пространство между филаментами цитоскелета заполнено зернистым «основным веществом» ("ground substance"), которое, как считают, представляет собой очень концентрированную смесь «растворимых» белков, имеющихся в живой клетке. Разнообразные мембранные органеллы тоже погружены в этот плотный матрикс и соединены с филаментами цитоскелета тонкими белковыми нитями. И гранулярного материала, и органелл тем больше, чем ближе к центральной области клетки, где сосредоточены микротрубочки и промежуточные филаменты и где, как можно увидеть при помощи светового микроскопа с видеоприставкой, происходит большая часть процессов цитоплазматического транспорта. В более периферийных участках значительно гуще сеть актиновых филаментов, которые как бы вытесняют оттуда большую часть мембранных органелл, а возможно, и какую-то долю гранулярного материала (рис.

11-79). Эта густая сеть прикреплена к плазматической мембране и соответствует богатому актином кортексу клетки, о котором уже говорилось ранее (разд. 11.2).

Рис. 11-78. Цитоплазма фибробласта, экстрагированного неионным детергентом (электронная микрофотография, глубокое травление).

Большинство тянущихся слева направо прямых волокон, образующих рыхлые пучки, - это актиновые филаменты, а перепутанные волокна в середине фото - в основном промежуточные филаменты. (С любезного разрешения John Heuser и Marc Kirschner.) Рис. 11-79. Трансмиссионная электронная микрофотография фибробласта, замороженного «живьем», выявляет на периферии клетки участок, свободный от органелл, а ближе к центру-наоборот, богатую органеллами область (А). Граница между этими двумя областями при сильном увеличении видна более отчетливо (Б). (Р. С. Bridgman, В. Kachar, Т. S. Reese, J. Cell Biol. 102: 1510-1521, 1986. С разрешения Rockefeller Univ.

Press.) 11.6.2. Насколько упорядочена организация цитоплазмы? [59] Когда мембранные органеллы цитоплазмы быстро перемещаются с места на место, они движутся по белковым «дорожкам», с которыми соединены специальными мостиками. Как мы уже говорили, движение вдоль микротрубочек осуществляется с помощью кинезина и динеино подобных белков (разд. 11.4.9), а вдоль актиновых филаментов с помощью миозиноподобных белков (разд. 11.2.4). Кластеры рибосом в цитозоле тоже нередко находятся в ассоциации с филаментами;

при экстрагировании клеток неионными детергентами значительная часть аппарата белкового синтеза остается связанной с цитоскелетом. Даже растворимые ферменты, в том числе некоторые ферменты гликолиза, по-видимому, «сидят» на специфических участках миофибрилл в мышечных клетках и стрессовых волокон в фибробластах, и здесь их можно выявить с помощью флуоресцентных антител.

Степень структурной организованности цитозоля в настоящее время является предметом споров. Источник наших знаний об идущих в цитозоле процессах - это в основном биохимические исследования, а они начинаются с гомогенизации клетки, так как только после этого можно определять активность ферментов и выделять их в очищенном виде. Успехи такого подхода привели многих биохимиков к представлению о цитозоле как о простом растворе ферментов. Однако другие исследователи склонны полагать, что едва ли не большинство ферментов цитозоля собрано в группы по принадлежности к тому или иному биохимическому пути и прикреплено к цитоскелету так, чтобы обеспечить более быстрое и эффективное прохождение метаболитов по каждому из таких путей. Поскольку это прикрепление, вероятно, непрочно и связи легко разрушаются, для его убедительной демонстрации могут потребоваться новые методы - такие, например, как инъекции в живые клетки белков с флуоресцентными метками (разд. 4.2.3).

11.6.3. Растягивание актинового кортекса способно вызывать поляризацию клетки, необходимую для ее направленного движения [60] Цитоскелет не только служит каркасом для прикрепления и перемещения питоплазматических компонентов, но и обеспечивает возможность миграции клеток. Несмотря на новейшие успехи в выяснении структуры и функции цитоскелета, механизм, с помощью которого животные клетки ползают по поверхности субстрата, пока еще плохо изучен. Для эффективного передвижения необходимо, чтобы клетка была поляризована: нужно, чтобы вся ее плазматическая мембрана находилась в относительном покое, за исключением переднего края, где клетка периодически выпускает ламеллоподии и микрошипы, когда движется вперед.

Когда неполяризованная мигрирующая клетка первоначально прикрепляется к поверхности культуральной чашки, микрошипы и ламеллоподии выдвигаются во всех направлениях и тянут клетку в разные стороны, в результате чего она остается на месте. Но, если случайно две противоположно направленные ламеллоподии достаточно прочно прикрепятся к субстрату, мы увидим, что растягивание клеточного кортекса между ними подавляет дальнейшее образование микрошипов и ламеллоподии в растянутой области-вероятно, потому, что актиновые филаменты в этом участке лежат параллельно плазматической мембране (рис. 11-80), а не перпендикулярно к ней, как нужно для возникновения ламеллоподии и микрошипов (разд. 11.2.11). Таким образом, тот факт, что в растянутых участках выступы цитоплазмы не образуются, можно объяснить чисто механическими причинами.

Дальнейшая «борьба» между ламеллоподиями похожа на перетягивание каната: те, что тянут клетку слабее, отрываются от субстрата и становятся частью пассивного растянутого кортекса. В конце концов останется только один активный участок плазматической мембраны;

он и будет передним краем теперь уже поляризованной клетки, которая начнет движение в одном направлении (рис. 11-81).

Когда клетка находится на ровной плоской поверхности, выбор направления движения (т. е. «победа» каких-то ламеллоподии) будет делом непредсказуемым, зависящим от случайных вариаций в организации цитоскелета. Однако на неоднородной поверхности, например на культуральном субстрате с градиентом вещества, способствующего адгезии, «отбор» ламеллоподии и микрошипов будет направляться факторами внешней среды;

эти выступы будут работать как щупальца, которые определяют, куда клетке двигаться.

Рис. 11-80. Организация актиновых филаментов в зоне растянутого клеточного кортекса. Тянущее действие противоположных ламеллоподии в группе из восьми эпителиальных клеток, показанных на световой микрофотографии (А), создает в одной из клеток покоящийся участок, где образование выступов подавлено (показан прямоугольником). При исследовании этого участка в электронном микроскопе (Б) в нем можно видеть пучки актиновых филаментов, идущих параллельно плазматической мембране, т. е. перпендикулярно к той ориентации, которая нужна для образования ламеллоподии и микрошипов. (John Kolega, i. Cell Biol. 102: 1400-1411, 1986. С разрешения Rockefeller Univ. Press.) Рис. 11-81. Возникновение полярности у мигрирующей клетки. Хотя здесь изображена клетка в культуре, сходные процессы, вероятно, играют фундаментальную роль в морфогенезе многих тканей. Прикрепившись к поверхности культуральной чашки, клетка выбрасывает ламеллоподий во всех направлениях. По мере того как они растягивают клетку, возникают участки, где кортекс растянут и дальнейшее образование ламеллоподий подавлено (см. рис. 11-80). «Перетягивание каната» продолжается до тех пор, пока не возьмет верх какая-то одна ламеллоподия - вероятно, случайно, например потому, что субстрат под ней оказался более «липким», или благодаря небольшому хемотаксическому градиенту, который благоприятствует движению вперед одной из сторон клетки (разд. 11.2.13). Теперь клетка становится униполярной и перемещается в направлении «удачливой» ламеллоподий. С помощью подобного механизма клетки в развивающихся тканях будут двигаться в сторону тех клеток или элементов внеклеточного матрикса, к которым они прикрепляются наиболее прочно, зачастую делая выбор между субстратами, лишь слегка различающимися по адгезивности (разд. 14.3.9).

11- 11.6.4. Относительная роль актиновых филамептов и микротрубочек в миграции зависит от типа клеток [61] При миграции клеток микротрубочки и актиновый цитоскелет обычно работают совместно, так что вклад их разделить трудно. Степень участия микротрубочек в направленном движении клетки у разных типов клеток различна. Если деполимеризовать микротрубочки фибробласта колхицином, он перестает двигаться в определенную сторону и начинает выпускать ламеллоподии в случайных направлениях. С другой стороны, на направленное движение нейтрофила колхицин практически не влияет. Более того, если нейтрофил кратковременно прогреть до 42 "С, значительная часть его кортикальной цитоплазмы отделяется от остальной клетки и начинает двигаться сама по себе. Хотя эти подвижные фрагменты клеток лишены микротрубочек и ядра, они способны ползать по культуральной чашке в течение дня и дольше, прежде чем подвергнутся распаду (рис. 11-82). Поначалу фрагменты обладают такой же способностью к хемотаксису, как и исходные нейтрофилы;

например, они направленно движутся «вверх» по градиенту концентрации N-формилированных пептидов (разд. 11.2.13). Однако миграция прекращается, если актиновые нити в нейтрофилах (или в образовавшихся из них фрагментах) деполимеризовать цитохалази-ном. По-видимому, этим клеткам для направленной миграции необходимы актиновые филаменты, но не микротрубочки.

Однако движение конусов роста нервных клеток, судя по всему, зависит и от микротрубочек, и от актиновых филаментов. В аксонах и дендритах (обобщенно называемых нейритами) содержатся необычайно упорядоченные пучки микротрубочек. Каждый нейрит «вытягивается» из тела нервной клетки под действием тянущей силы, создаваемой конусом роста на его кончике. Если нервные клетки в культуре обработать колхицином, рост нейритов останавливается, что указывает на участие микротрубочек в продвижении конуса роста. Конус роста эквивалентен переднему краю нейтрофила или фибробласта, и формирование на нем ламеллоподий и микрошипов тоже зависит от актиновых филаментов и подавляется при обработке цитохалазином. Тем не менее у нервных клеток, растущих на высокоадгезивной поверхности (например, на культуральной чашке, покрытой поликатионом полилизином), нейриты будут расти и в присутствии цитохалазина, хотя направление их Рис. 11-82. Нейтрофил, нз которого в результате кратковременной тепловой обработки (42°С) был получен большой фрагмент, способный к непрерывному движению и хемотаксису, хотя в нем не было ядра и митохондрий. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. (S. R. Malawista и A. DeBoisfleury Chevance, J. Cell Biol. 95: 960-973. 1982;

с разрешения Rockefeller Univ.

Press.) роста будет меняться неупорядоченным образом. По-видимому, ламеллоподии и микрошипы нужны для того, чтобы направлять конус роста и позволять ему преодолевать слабоадгезивные поверхности. Организация микротрубочек и актиновых филаментов в конусе роста и в переднем крае фибробласта для сравнения показана на рис. 11-83.

11.6.5. Натяжение актинового кортекса, возможно, помогает управлять движением животных клеток [62] Каков молекулярный механизм продвижения клетки вперед? Ответа на этот ключевой вопрос пока нет. Одна из гипотез, отводящая главную роль актиновому кортексу, представлена на рис. 11-84. Есть четкие свидетельства того, что кортекс в животных клетках находится в натянутом состоянии. Это натяжение кортекса, которое удалось измерить в очень крупных клетках, например в яйцеклетках морского ежа, стремится придать клеткам суспензии сферическую форму (т.е. такую, при которой их поверхность минимальна). Кроме того, клетки, видимо, способны «расслаблять» кортекс в определенных участках своей поверхности, например в переднем крае, хотя механизм этого расслабления неизвестен. В результате на переднем крае периодически образуются ламеллоподии - предположительно вследствие активации в плазматической мембране специальных кэпирующих белков, которая позволяет субъединицам актина присоединяться к плюс-концам актиновых филаментов в этом участке (разд. 11.2.15). Те ламеллоподии, которым не Рис. 11-83. Организация микрогрубочек и актиновых филамектов в подвижных клетках двух типов. Окраска антителами к тубулину, меченными флуоресцеином (А), выявляет микротрубочки в виде тонкой сети во всей цитоплазме фибробласта и в виде плотного пучка, идущего по оси аксона. При окраске тех же клеток родамин-фаллоидином (Б) видны актиновые филаменты как пучки, которые в фибробласте тянутся к переднему краю, а в аксоне концентрируются в микрошипах конуса роста. (С любезного разрешения Peter Hollenbeck.) Рис. 11-84. Одна из моделей, показывающая, как богатый актином кортекс мог бы продвигать клетку вперед. Полимеризация актина ведет к вытягиванию ламеллоподии на переднем крае;

прикрепившись к субстрату, ламеллоподия растягивает актиновый кортекс, и в результате его натяжения тело клетки продвигается вперед, частично ослабляя это натяжение. Такой цикл может повторяться снова и снова, шаг за шагом продвигая клетку.

удалось прочно прикрепиться к субстрату, оттягиваются назад за счет кортикального натяжения, и это приводит к «раффлингу» (см. рис. 11-42). Но если какая-нибудь ламеллоподия прочно прикрепится, то ее актиновые филаменты будут связаны с субстратом при помощи трансмембранных соединительных белков (см. рис. 11-43);

теперь то самое натяжение кортекса, которое оттягивало свободную ламеллоподию назад, будет двигать всю клетку вперед к новой точке прикрепления (см. рис. 11-84).

По аналогии с мышцей - наиболее изученной двигательной системой на основе актина - можно было бы ожидать, что вызывающие сокращение силы в кортексе создаются при взаимодействии актиновых и миозиновых филаментов. Однако против этой возможности говорят эксперименты с клеточным слизевиком Dictyostelium discoideum (разд. 14.3.1). Удалось получить таких мутантов этого слизевика, у которых нормальный ген фибриллярного миозина был заменен искусственно модифицированным геном. В этом гене был вырезан длинный участок, кодирующий белок (см. разд. 4.6.14), и в результате эти мутанты были лишены миозиновых нитей. Неудивительно, что у мутантных клеток не могло формироваться сократительное кольцо, и поэтому они превращались в гигантские многоядерные клетки, которые лишь изредка делились, просто разрываясь надвое. Тем не менее эти клетки сохраняли способность к миграции и даже к хемотаксической реакции на сАМР (разд. 14.3.2), хотя оба процесса были заметно нарушены. По-видимому, координированное перемещение клетки, так же как и натяжение кортекса, не зависит всецело от биполярных миозиновых филаментов;

возможно, что натяжение может создаваться эластичной сетью актиновых филаментов (действующей подобно резиновой пленке) или другими стягивающими силами, источником которых могли бы быть, например, процессы разборки актиновых филаментов или мини-миозин.

11.6.6. Движению переднего края мигрирующей клетки может способствовать эндоцитозный цикл [63] Как уже говорилось в гл. 6, все животные клетки непрерывно «заглатывают» небольшие участки своей плазматической мембраны и возвращают их обратно на клеточную поверхность в процессе, получившем название эндоцитозного цикла (разд. 6.5), Есть данные о том, что у ползущих по субстрату поляризованных клеток кусочки мембраны переходят внутрь со всей поверхности клетки, а возвращаются главным образом на передний край. По-видимому, такая асимметрия эндоцитозного цикла мигрирующей клетки помогает продвижению переднего края (разд.

6.5.13). Вероятно, возврат перешедших в цитоплазму участков мембраны на передний край поляризованной клетки зависит от ориентированных микротрубочек и актиновых филаментов: те и другие способны при участии вспомогательных белков направлять активный транспорт мембранных пузырьков в сторону своих плюс-концов (разд. 11.1.10 и 11.4.9). Таким образом, в мигрирующей клетке есть по меньшей мере два типа направленных «движителей», обеспечивающих ее локомоцию: 1) механизм на основе актиновых филаментов в клеточном кортексе - он выдвигает ламеллоподии и создает кортикальное натяжение;

и 2) механизм, находящийся в глубине клетки, для которого нужны ориентированные микротрубочки или актиновые филаменты (или те и другие),- он обеспечивает активный транспорт мембранных пузырьков к переднему краю клетки (рис. 11-85).

11.6.7. Общими организаторами цитоскелета могут быть микротрубочки Помимо участия в движении клеток микротрубочки играют также ключевую роль в определении их формы. Всем эукариотическим клеткам свойственна определенная геометрия, которая проявляется как во внешней структуре клетки, так и в расположении органелл. В то время как все другие компоненты цитоскелета лишь отражают эту геометрию, микротрубочки, по-видимому, часто играют уникальную роль в ее создании. Хорошо известно, например, что микротрубочки обычно располагаются вдоль длинной оси клетки и что во многих случаях их присутствие необходимо для поддержания удлиненной формы клетки в целом.

Как уже упоминалось, микротрубочки определяют положение аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума в каждой клетке (разд. 11.4.10), а также влияют на распределение промежуточных филаментов, которые спадаются в околоядерную шапку при обработке клетки колхицином (разд. 11.5.3);

кроме того, от них может зависеть и распределение актиновых нитей. Сократимое кольцо, которое постро- Рис. 11-85. Два направленных «двигателя» в мигрирующей клетке: в основе одного лежат актиновые филаменты кортекса, а другой основан на переносе мембранных пузырьков к переднему краю вдоль микротрубочек (и, возможно, актиновых филаменюв). Вероятно, эти механизмы совместно обеспечивают движение клетки в одном направлении.

ено из актиновых филаментов и перетягивает клетку пополам при завершении клеточного деления, всегда образуется в плоскости, перпендикулярной оси митотического веретена. Если образующееся веретено механически сместить, то соответственно изменится и место, где образуется затем сократимое кольцо;

значит, положение этого кольца определяется положением веретена (разд. 13.5.13).

Механизмы, с помощью которых микротрубочки влияют на положение актиновых филаментов кортекса и промежуточных филаментов, неизвестны, хотя предположительно в них участвуют белки, образующие связи между белковыми нитями разных типов.

11.6.8. Структурная организация цитоскелета одной клетки может передаваться соседним клеткам [64] Цитоскелет данной клетки может влиять на цитоскелет ее соседей. Как полагают, этот способ межклеточной коммуникации играет важную роль в определении морфологии тканей и органов. Один из простейших видов взаимодействия между цитоскелетами можно наблюдать, когда передние края двух мигрирующих клеток касаются друг друга. У клеток большинства типов это вызывает немедленный «паралич» переднего края у той и другой клетки - феномен, известный как контактное ингибирование движения. В результате два столкнувшихся in vitro фибробласта перестают вытягивать микрошипы и ламеллоподии в зоне соприкосновения и начинают выпускать их повсюду, кроме этого места, так что постепенно клетки «уходят» друг от друга, меняя направление движения (рис. 11-86). По-видимому, такая реакция связана с быстрыми изменениями в кортикальном актиновом цитоскелете в зоне контакта, но молекулярные механизмы этих изменений не выяснены.

Контактное ингибирование движения не следует смешивать с контактным ингибированием (торможением) клеточного деления', последнее наблюдается у клеток в культуре, которые делятся до тех пор, пока не покроют всю поверхность культуральной чашки. Как мы увидим в гл. 13, остановка роста и пролиферации в этих условиях зависит не только от контакта между клетками;

она зависит также от той формы, которую клетки вынуждены принимать в условиях скученности, и от возрастающего дефицита питательных веществ (разд. 13.3.5).

Контактное ингибирование движения играет важную роль в заживлении ран. Пласты эпителиальных клеток на краях раны, вытягивая ламеллоподии, начинают быстро двигаться, стремясь «наползти» на поврежденную поверхность;

это движение прекращается, как только клетки различных краев вступают в контакт, закрыв щель раны. Теперь. когда непрерывный пласт клеток восстановлен, между новыми соседями образуются межклеточные соединения, которые становятся точками прикрепления для белковых филаментов, соединяющих цитоскелеты всех клеток пласта (разд. 14.1.2). Контактное ингибирование движения может Рис. 11-86. Контактное торможение движения фибробластов. Если два ползущих по поверхности культуральной чашки фибробласта сталкиваются, их ламеллоподии в точке контакта парализуются. Спустя 10-15 мин клетки обычно начинают двигаться в разные стороны друг от друга. (С любезного разрешения Graham Dunn.) также способствовать избирательному объединению аксонов в пучки в развивающейся нервной системе: конусы роста центральных нейронов останавливаются и даже втягиваются обратно, если сталкиваются с аксонами нейронов периферической нервной системы, хотя вдоль аксонов других центральных нейронов они продолжают охотно расти.

Еще один механизм, с помощью которого цитоскелет одной клетки может оказывать влияние на цитоскелет ее соседей, обусловлен взаимодействием между цитоскелетом и секретируемым клеткой внеклеточным матриксом. Как выяснилось (см. гл. 14), клетка с ориентированным цитоскелетом нередко образует сходным образом ориентированный внеклеточный матрикс, а это в свою очередь влияет на ориентацию цитоскелетов в других клетках, соприкасающихся с таким матриксом (см. рис. 14-84). Так благодаря межклеточным взаимодействиям через места соединения клеток и внеклеточный матрикс организация цитоскелета отдельной клетки часто определяется не автономно самой этой клеткой, а организацией ткани в целом.

11.6.9. В основе изгибания эпителиальных слоев у зародыша лежат координированные сокращения цитоскелета [65] Взаимодействие между цитоскелетами соседних клеток лежит в основе изгибания клеточных пластов - одного из фундаментальных морфогенетических процессов у животных. Как реализуется это взаимодействие? Возможно, оно передается с помощью механических стимулов, передающихся от клетки к клетке. Представьте себе, например, слой эпителиальных клеток, в которых кратковременное натяжение всего слоя ведет к сокращению апикальных пучков актиновых филаментов, расположенных в опоясывающих десмосомах (разд. 14.1.3). Если в одной Рис. 11-87. Компьютерная модель гаструляции, в основу которой положена волна сокращений цитоскелета, распространяющаяся от клетки к клетке. Каждая клетка эпителиального пласта имеет опоясывающую десмосому (межклеточное соединение с сократительным пучком актиновых филаментов, который, как было постулировано, сокращается в ответ на растяжение). А так как опоясывающая десмосома расположена в апикальном конце клетки, сокращение изменяет форму последней с цилиндрической на коническую. В пласте, состоящем из соприкасающихся клеток, сокращение одной из них будет растягивать соседние, заставляя их в ответ тоже сокращаться (А). Если такой принцип будет действовать в сферическом или цилиндрическом слое клеток, это приведет к инвагинации (Б). Точная геометрическая форма этой инвагинации будет зависеть от механических свойств модельной системы клеток;

система, представленная справа (Б), рассчитана на моделирование гаструляции у эмбриона морского ежа. (G. Odell st al., Dev. Biol. 85: 446-462, 1981.) клетке такой пучок сократится, то в соседних с ней клетках возникнет натяжение, которое может заставить сократиться аналогичные структуры и в этих клетках, и тогда волна сокращения распространится по всему клеточному пласту. Созданные на основе этого простого механизма компьютерные модели дают большое разнообразие конечных форм, зависящих от первоначальной геометрии пласта. Например, слой эпителиальных клеток, окружающих сферическую полость, будет впячиваться, образуя двуслойную структуру, что весьма напоминает гаструляцию у зародышей морского ежа (рис. 11-87).

Хотя эти модели полностью умозрительны, нет сомнений, что цитоскелет играет фундаментальную роль в формообразовании тканей.

Сложная форма и организация клеток в тканях и органах позвоночных зависит от белков цитоскелета в их разнообразных структурных сочетаниях.

Часто тем элементом, который, видимо, управляет морфогенетическими движениями, бывают микротрубочки. В других случаях ведущую роль играют актиновые филаменты, как, например, при развитии волосковых клеток в ухе позвоночных.

11.6.10. Развитие волосковых клеток в улитке внутреннего уха зависит от точного контроля полимеризации актина [66] Волосковые клетки - это специализированные эпителиальные клетки, находящиеся в улитке и преддверии внутреннего уха. Эти клетки чрезвычайно чувствительны к малейшему движению, будь то вибрация, вызываемая звуковыми волнами, или перемещение жидкости в полукружных каналах при изменении положения головы. Эти движения детектируются с помощью пучков стереоцилий, расположенных на поверхности каждой волосковой клетки в гексагональном порядке;

в каждом таком пучке стереоцилий расположены рядами «по росту», подобно трубам органа (рис. 11-88). Едва заметные колебания стереоцилий, вызываемые звуками, преобразуются в волосковой клетке в электрические сигналы, которые затем передаются в мозг (разд. 19.6.2).

Тонкость структурной организации стереоцилий выражается не только в их строго упорядоченном расположении на поверхности волосковой клетки, но и в закономерном изменении их размеров, числа и ориентации от одного конца улитки к другому. У кур каждая волосковая клетка на проксимальном конце улитки несет более 250 стереоцилий со средней длиной 1,7 мкм, тогда как на противоположном конце каждая клетка имеет только 50 стереоцилий, средняя длина которых 5,2 мкм. Эти и другие градации в структуре отражают функциональную организацию волосковых клеток, которые «настроены» в одном конце улитки на Рис. 11-88. Стереоцилий расположены на поверхности волосковых клеток наподобие органных труб. Микрофотография получена с помощью сканирующего электронного микроскопа. (С любезного разрешения Lewis Tilney.) низкие частоты, а в другом - на высокие. Размеры пучка стереоцилий на любой клетке удивительно точны и воспроизводимы - их можно использовать как надежный признак локализации клетки в определенном месте между двумя концами улитки.

Стереоцилий - это очень крупные специализированные микроворсинки, не имеюшие никакого отношения к настоящим ресничкам (цилиям). Они образуются как выпячивания плазматической мембраны и содержат пучок актиновых филаментов (рис. 11-89). Таким образом, формирование улитки четко демонстрирует способность клеток контролировать число, местоположение и длину актиновых филаментов совершенно определенным образом во всем пространстве ткани.

С помощью сканирующего электронного микроскопа можно увидеть, что у куриного эмбриона рост стереоцилий проходит три раздельные стадии (рис. 11-90). Сначала более или менее одновременно на поверхности каждой волосковой клетки появляются коротенькие стереоцилий. Затем они начинают удлиняться;

первыми удлиняются те, которые будут в зрелом пучке самыми длинными, затем – будущие Рис. 11-89. Сравнение размеров типичной стереоцилий и типичней микроворсинки;

структура той и другой поддерживается находящимся внутри пучком актиновых филаментов.

Рис. 11-90. Три стадии роста единичной стереоцилий в улитке уха цыпленка. Все стереоцилий проходят в своем развитии одни и те же три стадии, но время начала и продолжительность роста варьируют как у отдельных стереоцилий одной волосковой клетки, так и от клетки ї клетке.

Таким образом создается весьма точная ступенчатая градация длин стереоцилий. Цыплята вылупляются на 21-й день. (Из L.C. Tilney, M. S. Tilney, Hearing Research 22: 55-77, 1986.) «вторые по росту» и т.д. Начав расти, стереоцилии данного ряда продолжают удлиняться с постоянной малой скоростью (около 0,5 мкм в день), по видимому, за счет присоединения мономеров актина на дистальном конце (плюс-конце, см. разд. 11.2.10) каждого актигнового филамента. Через три-четыре дня такого равномерного роста на поверхности каждой волосковой клетки образуется нечто вроде подстрижен-ного газона из небольших стереоцилии.

В течение следующих шести дней присоединение мономеров актина происходит, видимо, только в основании стереоцилии, так что актине-вые филаменты растут своими «корешками», уходящими в кортекс волосковых клеток. На этой стадии рост, очевидно, происходит на минус-концах актиновых филаментов;

значит, при необходимости клетка может использовать и этот необычный способ роста. В это же время стереоцилии в определенных участках улитки утолщаются за счет добавления новых актиновых филаментов к их сердцевинным пучкам.

Наконец, на третьей стадии роста (от 17-го дня эмбрионального развития до вылупления) возобновляется присоединение мономеров актина к плюс-концам филаментов в пучках, и стереоцилии вновь начинают удлиняться. Теперь быстрее растут волосковые клетки в дистальном конце улитки;

они перестают расти, когда создается градиент длины стереоцилии, присущий взрослой курице.

Механизм, позволяющий клеткам так точно регулировать сборку актиновых филаментов, не известен. Чем столь жестко определяется первоначальное число стереоцилии на поверхности каждой волосковой клетки? Каким образом клетка контролирует конечную длину каждого пучка актиновых филаментов, обеспечивая при этом строгую градацию длин стереоцилии? Это лишь два из множества интригующих вопросов, которые встают перед исследователями цитоскелета.

Заключение Актиновые филаменты, микротрубочки, промежуточные филаменты и связанные с ними белки способны к самопроизвольной сборке в сложную сеть белковых нитей, структурирующих цитоплазму. Цитоскелет играет ведущую роль в определении формы и полярности клеток, а также в их подвижности. Когда.животная клетка движется, пучок актиновых филаментов периодически «выталкивает» наружу ламеллоподии и микрошипы на одной из сторон клетки (переднем крае) и растягивает клеточный кортекс, поляризуя клетку, что помогает ей продвигаться вперед. Эта полярность поддерживается с помощью микротрубочек или актиновых филаментов, которые направляют поток материала плазматической мембраны к переднему краю клетки.

Цитоскелет одной клетки может влиять на цитоскелет ее соседей как через межклеточные соединения, так и опосредованно, через внеклеточный матрикс. Таким способом координируются изменения формы клеток в процессе развития тканей и органов.

Литература Общая Bershadsky A.D., Vasiliev J.M. Cytoskeleton. New York. Plenum Press, 1988.

Lackie J. M. Cell Movement and Cell Behaviour. London, Alien and Unvvin, 1985.

Schliwa M. The Cytoskeleton. New York, Springer-Verlag, 1986.

Shcterline P. Mechanisms of Cell Motility. London, Academic Press, 1983.

Цитированная 1. Amos L. A. Structure of muscle filaments studied by electron microscopy. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem., 14, 291-313, 1985.

Huxley A. F. Reflections on Muscle. Princeton, NJ, Princeton University Press, 1980.

Squire J. M. Muscle: Design, Diversity and Disease. Menlo Park CA, Benjamin-Cummings, 1986.

2. Cooke R. The mechanism of muscle contraction. CRC Crit. Rev. Biochem., 21, 53-118, 1986.

Huxley H, E. The mechanism of muscular contraction. Science, 164, 1356-1366, 1969.

3. Cohen C., Parry D. A. D. -Helical coiled coils a widespread motif in proteins. Trends Biochem. Sci., 11, 245-248, 1986.

Davis J. S. Assembly processes in vertebrate skeletal thick filament formation. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem., 17, 217 239, 1988.

4. Bessman S. P., Carpenter C. L. The creatine-creatine phosphate energy shuttle. Annu. Rev. Biochem., 54, 831-862, 1985.

5. Warrick H.M., Spudich J.A. Myosin structure and function in cell motility. Annu. Rev. Cell Biol., 3, 379-421, 1987.

6. Pollard Т.О., Cooper J.A. Actin and actin-binding proteins. A critical evaluation of mechanisms and functions. Annu. Rev. Biochem., 55, 987 1035, 1986.

7. Irring M. Muscle mechanics and probes of the crossbridge cycle. In: Fibrous Protein Structure (J. M. Squire, P. J. Vibert, eds.). San Diego, CA, Academic Press, 1987.

Pollard Т.О. The myosin crossbridge problem. Cell, 48, 909, 910, 1987.

8. Katz B. Nerve, Muscle and Synapse. New York, MaGraw-Hill, 1966. [Имеется перевод: Катц Б. Нерв, мышца и синапс. М.: Мир, 1969].

LaiF.A., Erickson H.P., Rousseau Е., Liu O.-Y., Meissner G. Purification and reconstruction of the calcium release channel from skeletal muscle. Nature, 331, 315-319, 1988.

Saito A., Inui M., Radermacher M., Frank J., Fleischer S. Ultrastructure of the calcium release channel of sarcoplasmatic reticulum. J. Cell Biol., 107, 211 219, 1988.

9. Murray J. M., Weber A. The cooperative action of muscle proteins. Sci. Am., 230(2), 59-71, 1974.

Phillips G. N., Fillers J. P., Cohen C. Tropomyosin crystal structure and muscle regulation. J. Мої. Biol., 192, 111-131, 1986.

Zot A.S., Potter J. D. Structural aspects of troponin-tropomyosin regulation of skeletal muscle contraction. Annu. Rev. Biophys. Chem., 16, 535-559, 1987.

10. Wang K. Sarcomere-associated cytoskeletal lattices in striated muscle. Review and hypothesis. In: Cell and Muscle Motility (J.W. Shay, ed.).

Vol. 6, pp. 315-369. New York, Plenum Press, 1985.

11. Fawcett D.W. A Textbook of Histology, llth ed. Philadelphia, Saunders, 1986.

12. Korn E.D., Hammer J.A. Myosins of nonmuscle cells. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem., 17, 23-45, 1988.

Sellers J. R., Adelstein R. S. Regulation of contractile activity. In: The Enzymes (P. Bover, E.G. Krebs, ed), Vol. 18, pp. 381-418. San Diego, CA, Academic Press, 1987.

13. Citi S., Kendrick-Jones J. Regulation of non-muscle myosin structure and function. Bioessays, 7, 155- 159, 1987.

14. ByersH.R., Fujiwara K. Stress fibers in cells in situ: immunofluorescence visualization with anti-actin, anti-myosin and anti-alpha-actinin. J.

Cell Biol., 93, 804-811, 1982.

Langanger B. et al. The molecular organization of myosin in stress fibers of cultured cells. J. Cell Biol., 102, 200-209, 1986.

Schroeder Т.Е. Actin in dividing cells: contractile ring filaments bind heavy meromyosin. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 70, 1688-1692, 1973.

15. Buckingham M.E. Actin and myosin multigene families: their expression during the formation of skeletal muscle. Essays Biochem., 20, 77-109, 1985.

Emerson C. P., Bernstein S. I. Molecular genetics of myosin. Annu. Rev. Biochem., 56, 695-726, 1987.

Otey C.A., Kalnoski M.H., Bulinski J.C. Identification and quantification of actin isoforms in vertebrate cells and tissues. J. Cell. Biochem., 34, 113-124, 1987.

16. Breitbart R.E., Andreadis A., Nadal-Ginard B. Alternative splicing: a ubiquitous mechanism for the generation of multiple protein isoforms from single genes. Annu. Rev. Biochem., 56, 467-495, 1987.

17. Bray D., Heath J., Moss D. The membrane-associated "cortex" of animal cells: its structure and mechanical properties. J. Cell Sci. Suppl. 4, 71 88, 1986.

Коrn Е. D. Actin polymerization and its regulation by proteins from nonmuscle cells. Physiol. Rev., 62, 672-737, 1982.

Pollard Т.О., Cooper J. A. Actin and actin-binding proteins. A critical evaluation of mechanisms and functions. Annu. Rev. Biochem., 55, 987 1035, 1986.

Tilney L. G. Interactions between actin filaments and membranes give spatial organization to cells. In: Modern Cell Biology, Vol. 2. Spatial Organization of Eukaryotic Cells (J. R. Mclntosh, В. Н. Satir esdl.) pp. 163-199. New York: Liss, 1983.

18. Sato M., Schwartz W.H., Pollard Т.О. Dependence of the mechanical properties of actin/alpha-actinin gels on deformation rate. Nature, 325, 828-830, 1987.

Stossel T. P. et el. Non-muscle actin binding proteins. Annu. Rev. Cell Biol., 1, 353-402, 1985.

19. Matsudaira P., Janmev P. Pieces in the actin-severing protein puzzle. Cell, 54, 139-140, 1988.

Yin H. L. Gelsolin: calcium and polyphosphoinositide-regulated actin modulating protein. Bioessays, 7, 176 179, 1987.

20. Korn E. D., Hammer J. A. Myosins of nonmuscle cells. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem., 17, 23-45, 1988.

Warrick H.M., Spudlich J.A. Myosin structure and function in cell motility. Annu. Rev. Cell Biol., 3, 379-421, 1987.

21. Adams R. J., Pollard T.D. Propulsion of organelles isolated from Acanthamoeha along actin filaments by myosin-I. Nature, 322, 754 756, 1986.

Sheetz M. P., Spudich J. A. Movement of myosin-coated fluorescent beads on actin cables in vitro. Nature, 303, 31-35, 1983.

22. Bennett V. The membrane skeleton of human erythrocytes and its implications for more complex cells. Annu. Rev. Biochem., 54, 273-304, 1985.

23. Conzelman K.A., Mooseker M.S. The 110-kD protein-calmodulin complex of the intestinal microvillus in an actin-activated MgATPase. J. Cell Biol., 105, 313-324, 1987.

Mooseker M. S. Organization, chemistry, and assembly of the cytoskeletal apparatus of the intestinal brush border. Annu. Rev. Cell. Biol., 1, 209-241, 1985.

24. Burridae K. et al. Focal adhesions: transmembrane junctions between the extracellular matrix and cytoskleton. Annu. Rev. Cell Biol., 4, 487 525, 1988.

Horwitz A., Duyaan K., Buck C., Beckerle M.C., Bur ridge К. Interaction of plasma membrane fibronectin receptor with talin-a transmembrane linkage. Nature, 320, 531-533, 1986.

25. Bonder E. M., Fishkind D.J., Mooseker M.S. Direct measurement of critical concentrations and assembly rate constants at the two ends of an actin filament. Cell, 34, 491-501, 1983.

Korn E.D., Carlier M.-F., Pantaloni D. Actin polymerization and ATP hydrolysis. Science, 238, 638-644, 1987.

26. Abercrombie M. The crawling movement of metazoan cells. Proc. R. Soc. Lond. (Biol.), 207, 129-147, 1980.

Small J. V., Rinnerthaler G., Hinssen H. Organization of actin meshworks in cultured cells: the leading edge. Cold Spring Harbor Symp.

Quant. Biol., 46, 599-611, 1982.

Wany Y. Exhange of actin subunits at the leading adge of living fibroblasts: possible role of treadmiling. J. Cell Biol., 101, 597 602, 1985.

27. Tilney L. G., Inoue S. Acrosomal reaction of Thyone sperm. II. The kinetics and possible mechanism of acrosomal process elongation. J. Cell Biol., 93, 820-827, 1982.

28. Carson M., Weber A., Zigmond S. H. An actin-nucleating activity in poly-morphonuclear leukocytes is modulated by chcrnotactic peptides, J.

Cell Biol., 103, 2707-2714, 1986.

Devreotes P., Zigmond S. Chemotaxis in eukaryotic cells. Annu. Rev. Cell Biol., 4, 649-686, 1988.

Tilney L. G., Bonder E. M., DeRosier D.J. Actin filaments elongate from their membrane-associated ends. J. Cell Biol., 90, 485-494, 1981.

29. Cooper J.A. Effects of cytochalasin and phalloidin on actin. J. Cell Biol., 105, 1473-1478, 1987.

30. Dustin P. Microtubules, 2nd ed., pp. 127-164. New York, Springer-Verlag, 1984.

Gibbons I.R. Cilia and flagella of eukaryotes. J. Cell Biol., 91, 107s-124s, 1981.

Roberts K., Hyams J.S., eds. Microtubules. New York. Academic Press, 1979. Satir P. How cilia move. Sci. Am., 231(4), 44-63, 1974.

31. Amos L. A., Baker T.S. The three dimensional structure of tubulin protofilaments. Nature, 279, 607-612, 1979.

Mandelkow E.-M., Schultheiss R., Rapp R., Muller M., Mandelkow E. On the surface lattice of microtubules: helix starts, protofilament number, seam and handedness. J. Cell Biol., 102, 1067-1073, 1986.

RaffE.C. Genetics of microtubule systems. J. Cell Biol., 99, 1-10, 1984.

Sulivan К. F. Structure and utilization of tubulin isotypes. Annu. Rev. Cell Biol., 4, 687-716, 1988.

32. Linck R. W., Amos W. B. Localization of tektin filaments in microtubules of sea urchin sperm flagella by immunoelectron microscopy, J. Cell Biol., 100, 126-135, 1985.

33. Goodenough U. W., Heuser J. E. Substructure of inner dynein arms, radial spokes, and the central pair/projection complex of cilia and flagella.

J. Cell Biol., 100, 2008 2018, 1985.

34. Summers K. E., Gibbons 1. R. ATP-induced sliding of tubules in trypsin-treated flagella of sea urchin sperm. Proc. Natl. Acad. Sci. UDA, 68, 3092-3096, 1971. Warner F. D., Satir P. The structural basis of ciliary bend formation. J. Cell Biol., 63, 35-63, 1974.

35. Johnson K. A. Pathway of the microtubule-dynein ATPase and structure of dynein: a comparison with actomyosin. Annu. Rev. Biophys.

Biophys. Chem., 14, 161-188, 1985.

36. Brokaw C.J. Future directions for studies of mechanisms for generating flagellar bending waves. J. Cell Sci., Suppl. 4, 103 113, 1986.

Brokaw C. J., Luck D. J. L., Huang B. Analysis of the movement of Chlamydomonas flagella: the function of the radial-spoke system is revealed by comparison of wild-type and mutant flagella. J. Cell Biol., 92, 722-732, 1982.

37. Afzelius B. A. The immotile-cilia syndrome: a microtubule-associated defect. CRC Crit. Rev. Biochem., 19, 63-87, 1985.

Huang B. Chlanydomonas reinhardtii: a model system for genetic analysis of flagellar structure and motility. Int. Rev. Cytol., 99, 181 215, 1986.

Luck D. J. L. Genetic and biochemical dissection of the eucaryotic flagellum. J. Cell Biol., 98, 789 794, 1984.

38. Lefebvre P. A., Rosenbaum J. L. Regulation of the synthesis and assembly of ciliary and flagellar proteins during regeneration. Annu. Rev. Cell Biol., 2, 517-546, 1986.

Wheatley D. N. The Centriole: A Central Enigma of Cell Biology. New York, Elsevier, 1982.

39. Karsenti E., Мого В. Centrosomes and the spatial distribution of microtubules in animal cells. Trends Biochem. Sci., 11, 460-463, 1986.

Ramanis Z., Luck D. J. L. Loci affecting flagellar assembly and function map to an unusual linkage group in Chlamydomonas reinhardtii. Proc.

Natl. Acad. Sci. USA, 83, 423 436, 1986.

Vorobjev LA., Chentsov Y.S. Centrioles in the cell cycle. 1. Epithelial cells. J. Cell Biol., 93, 938 949, 1982.

40. Dustin P. Microtubules, 2nd ed. Berlin, Springer-Verlag, 1984.

41. De Brabander M. et al. Microtubule dynamics during the cell cycle: the effects of taxol and nocodazole on the microtubule system of Ptk2 cells at different stages of the mitotic cycle. Int. Rev. Cytol., 101, 215-274, 1986.

Inoue S. Cell division and the mitotic spindle. J. Cell Biol., 91, 13Is-147s, 1981.

Salmon E. D., McKeel M., Hays T. Rapid rate of tubulin dissociation from microtubules in the mitotic spindle in vivo measured by blocking polymerization with colchicine. J. Cell Biol., 99, 1066-1075, 1984.

42. Farrell K. W., Jordan M.A., Miller H.P., Wilson L. Phase dynamics at microtubule ends: the coexistence of microtubule length changes and treadmilling. J. Cell Biol., 104, 1035-1046, 1987.

Mclntosh J. R., Euteneuer U. Tubulin hooks as probes for microtubule polarity: an analysis of the method and evaluation of data on microtubule polarity in the mitotic spindle. J. Cell Biol., 98, 525 533, 1984.

43. Carlier M.-F. Role of nucleotide hydrolysis in the polymerization of actin and tubulin. Cell Biophys., 12, 105-117, 1988.

Horio H. Hotani H. Visualization of the dynamic instability of individual microtubules by dark field microscopy. Nature, 321, 605-607, 1986.

Mitchison Т., Kirschner M. Dynamic instability of microtubule growth. Nature, 312, 237-342, 1984.

44. Karsenti E., Maro B. Centrosomes and the spatial distribution of microtubules in animal cells. Trends Biochem. Sci., 11, 460-463, 1986.

Mitchison Т., Kirschner M. Microtubule assembly nucleated by isolated Centrosomes. Nature, 312, 232-237, 1984.

45. Kirschner M., Mitchison T. Beyond self-assembly: from microtubules to morphogenesis. Cell, 45, 329-342, 1986.

Sammak P. J., Borisy G. G. Direct observation of microtubule dynamics in living cells. Nature, 332, 724-726, 1988.

46. Barra H. S., Arce C. A., Argarana С. Е. Posttranslational tyrosination and detyrosination of tubulin. Molec. Neurobiol., 2, 133-153, 1988.

Gundersen G. G., Khawja S., Bulinski J. C. Postpolymerization detyrosination of []-tubulin: a mechanism for subcellular differentiation of microtubules. J. Cell Biol., 105, 251-264, 1987.

Maruta Н., Greer К., Rosenbaum J. L. The acetylation of a-tubulin and its relationships to the assembly and disassembly of microtubules. J.

Cell Biol., 103, 571-579, 1986.

Schulze E., Asai D. J., Bulinski J. C., Kirschner M. Post-translational modification and microtubule stability. J. Cell Biol., 105, 2167-2177, 1987.

47. Olmstcd J. B. Microtubule-associated proteins. Annu. Rev. Cell Biol., 2, 421-457, 1986.

ValleeR.B., Bloom G. S., Theurkauf W. E. Microtutbule-associated proteins: subunits of the cytomatrix. J. Cell Biol., 99, 38s-44s, 1984.

48. Alien R.D. The microtubule as an intracellular engine. Sci. Am., 256(2), 42-49, 1987.

Alien R.D. ct al. Gliding movement of and bidirectional transport along single native microtubules from squid axoplasm: evidence for an active role of microtubules in cytoplasmic transport. J. Cell Biol., 100, 1736 1752, 1985.

49. Vale R. Intracellular transport using microtubule-based motors. Annu. Rev. Cell Biol., 3, 347-378, 1987.

Vale R.D., Reese T.S., SheetzM.P. Identification of a novel force-generating protein, kinesin, involved in microtubule-based motility. Cell, 42, 39 50, 1985.

Vallee R. В., Wall J. S., Paschal B. M., Shpetner H. S. Microtubule-associated protein 1C from brain is a two-headed cytosolic dynein. Nature, 332, 561 563, 1988.

50. Allan V.J., Kreis Т.Е. A microtubule-binding protein associated with membranes of the Golgi apparatus. J. Cell Biol., 103, 2229-2239, 1986.

Dabora S. L., Sheet- M. P. The microtubule-dependent formation of a tubulovesicular network with characteristics of the ER from cultured cell extracts. Cell, 54, 27-35, 1988.

Lee C., Chen L. B. Dynamic behavior of endoplasmic reticulum in living cells. Cell, 54, 37-46, 1988.

Lucocq J. M., Warren G. Fragmentation and partitioning of the Golgi apparatus during mitosis in HeLa cells. EMBO J., 6, 3239-3246, 1987.

51. Geiger B. Intermediate filaments: looking for a function. Nature, 329, 392-393, 1987. Steinert P. M., Roop D. R. Molecular and cellular biology of intermediate filaments. Annu. Rev. Biochem., 57, 593-626, 1988.

Traub P. Intermediate Filaments: A Review. New York, Springer-Verlag, 1985. Wang E., Fischman D., Liem B.K.H., Sun T.-T., eds.

Intermediate Filaments. Ann. N.Y. Acad. Sci., 455, 1985.

52. Osborn M., Weber K. Tumor diagnosis by intermediate filament typing: a novel tool for surgical pathology. Lab. Invest., 48, 372-394, 1983.

53. Ip W., Hartzer M. K., Pang S. Y.-Y., Robson R. M. Assembly of vimentin in vitro and its implications concerning the structure of intermediate filaments. J. Моl. Biol., 183, 365-375, 1985.

Quintan R. A. ct al. Characterization of dimer subunits of intermediate filament proteins. J. Моl. Biol., 192, 337-349, 1986.

54. Geuens G., De Brabander M., Nuydens R., De Mey J. The interaction between microtubules and intermediate filaments in cultured cells treated with taxol and nocodazole. Cell Biol. Int. Rep., 7, 35-47, 1983.

Goldman R. et al. Intermediate filaments: possible functions as cytoskeletal connecting links between the nucleus and the cell surface. Ann. N.

Y. Acad. Sci., 45, 1-17, 1985.

55. Geisler N., Weber K. Phosphorylation of desmin in vitro inhibits formation of intermediate filaments: identification of three kinase A sites in the aminoterminal head domain. EMBO J., 7, 15 20, 1988.

Inagaki M., Nishi Y., Nishizawa K., Matsuyama M., Sato C. Site-specific phosphorylation induces disassembly of vimentin filaments in vitro.

Nature, 328, 649 652, 1987.

56. Aebi U., Cohn J., Buhle L., Gerace L. The nuclear lamina is a meshwork of intermediate-type filaments. Nature, 323, 560-564, 1986.

McKeon F.D., Kirschner M. W., Caput D. Homologies in both primary and secondary structure between nuclear envelope and intermediate filament proteins. Nature, 319, 463-468, 1986.

57. Abercrombie M. The crawling movement of metazoan cells. Proc. R. Soc. Lond. (Biol.), 207, 129-147, 1980.

Bridgman P. Structure of cytoplasm as revealed by modern electron microscopy techniques. Trends Neurosci., 10, 321-325, 1987.

Singer S. J., Kupfer A. The directed migration of eukaryotic cells. Annu. Rev. Cell Biol., 2, 337-365, 1986.

Trinkaus J. P. Cells into Organs: The Forces that Shape the Embryo. 2nd ed. Englewood Clifis, NJ, Prentice-Hall, 1984.

58. Bridgman P. C., Reese T. S. The structure of cytoplasm in directly frozen cultured cells. 1. Filamentous meshworks and the cytoplasmic ground substance. J. Cell Biol., 99, 1655-1668, 1984.

Heuser J., Kirschner M. W. Filament organization revealed in platinum replicas of freeze-dried cytoskeletons. J. Cell Biol., 86, 212-234, 1980.

59. Fulton A.B. How crowded is the cytoplasm? Cell, 30, 345-347, 1982.

Luby-Phelps K., Taylor D. L., Lanni F. Probing the structure of the cytoplasm. J. Cell Biol., 102, 2015-2022, 1986.

60. Kolega J. Effects of mechanical tension on protrusive activity and microfilament and intermediate filament organization in an epidermal epithelium moving in culture. J. Cell Biol., 102, 1400 1411, 1986.

Trinkam J. P. Cells into Organs: The Forces That Shape the Embryo, 2nd ed., pp. 157 244. Englewood Cliffs, NJ. Prentice-Hall, 1984.

61. Bray D., Hollcnbeck P.J. Growth cone motility and guidance. Annu. Rev. Cell Biol., 4, 43-62, 1988.

Euteneuer U., Schliwa M. Persistent, directional motility of cells and cytoplasmic fragments in the absence of microtubules. Nature, 310, 58 61, 1984.

Malawista S. E., De Boisfleury Chevance A. The cytokinetoplast: purified, stabile, and functional motile machinery from human blood polymorphonuclear leukocytes. J. Cell Biol., 95, 960-973, 1982.

Marsh L., Letourneau P. C. Growth of neurites without filopodial or lamellipodial activity in the presence of cytochalasin B. J. Cell Biol., 99, 2041-2047, 1084.

Vasiliev J. M. et at. Effect of colcemid on the locomotion of fibroblasts. J. Embryol. Exp. Morphol., 24, 625-640, 1970.

62. Bray D., White J.G. Cortical flow in animal cells. Science, 239, 883-888, 1988.

De Lozannc A., Spudich J.A. Disruption of the Dictyostelium myosin heavy chain gene by homologous recombination. Science, 236, 1086 1091, 1987.

Knecht D. A., Loomis W. F. Antisense RNA inactivation of myosin heavy chain gene expression in Dictyostelium discoideum. Science, 236, 1081 1086, 1987.

63. Bergmann J.E., Kupfer A., Singer S.J. Membrane insertion at the leading edge of motile fibroblasts. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 80, 1367 1371, 1983.

Bretscher M.S. How animal cells move. Sci. Am., 257(6), 72 90, 1987.

64. Lackie J.M. Cell Movement and Cell Behaviour, pp. 253-275. London, Alien and Unwin, 1986.

Trinkaus J. P. Cells into Organs: The Forces That Shape the Embryo, 2nd ed., pp. 157 244. Englewood Cliffs, NJ. Prentice-Hall, 1984.

65. Ode/I G. M., Oster G., Alberch P., Burnside B. The mechanical basis of morphogenesis. 1. Epithelial folding and invagination. Dev. Biol., 85, 446-462, 1981.

66. Tilncy L. G., Tilney M. S., Cotanche D. A. Aclin filaments, stereocilia, and hair cells of the cochlea. V. How the staircase pattern of stereociliary lengths in generated. J. Cell Biol., 106, 355-365, 1988.

Tilney L. G., De Rosier D. J. Actin filaments, stereocilia, and hair cells of the bird cochlea. IV. How the actin filaments become organized in developing stereocilia and in the cuticular plate. Dev. Biol., 116, 119-129, 1986.

12 Межклеточная сигнализация Клетки многоклеточного организма нуждаются в обмене информацией друг с другом - для регуляции своего развития и организации в ткани, для контроля процессов роста и деления и для координации функций. Взаимодействие животных клеток осуществляется тремя способами: 1) клетки выделяют химические вещества, служащие сигналами для других клеток, расположенных на некотором расстоянии;

2) они несут на своей поверхности связанные с плазматической мембраной сигнальные молекулы, оказывающие влияние на другие клетки при непосредственном физическом контакте;

3) образуют щелевые контакты, прямо соединяющие цитоплазму двух взаимодействующих клеток, что делает возможным обмен малыми молекулами (рис. 12-1).

Взаимодействие клеток через щелевой контакт будет рассматриваться в гл. 14, а сейчас речь пойдет в основном о коммуникации на расстоянии, которая осуществляется с помощью секретируемых химических сигналов. Такой план изложения отражает современное состояние наших знаний в этой области. Секретируемые молекулы изучать несравненно легче, чем связанные с мембраной, и о механизмах их действия известно уже многое. Контактную же сигнализацию с помощью молекул Рис. 12-1. Три различных способа межклеточной химической сигнализации.

наружной клеточной поверхности выявлять значительно труднее, и поэтому она изучена гораздо хуже;

она, однако, тоже важна, особенно в процессах индивидуального развития и в иммунном ответе (разд. 18.6.1), а ее молекулярные основы, по-видимому, весьма сходны с таковыми дальней сигнализации. Особенности химической передачи сигналов в нервной системе и уникальные принципы, используемые в сигнализации у растений, будут рассмотрены отдельно в гл. 19 и 20 соответственно.

12.1. Три стратегии химической сигнализации: использование гормонов, локальных химических медиаторов и нейромедиаторов Химические сигнальные механизмы различаются по расстояниям, на которых они действуют: 1) в случае эндокринной сигнализации специализированные эндокринные клетки выделяют гормоны, которые разносятся кровью и воздействуют на клетки-мишени, находящиеся иногда в самых разных частях организма;

2) в случае паракринной сигнализации клетки выделяют локальные химические медиаторы, которые поглощаются, разрушаются или иммобилизуются так быстро, что успевают подействовать только на клетки ближайшего окружения, быть может, в радиусе около миллиметра;

3) при синаптической передаче, используемой только в нервной системе, клетки секретируют нейромедиаторы в специализированных межклеточных контактах, называемых химическими синапсами, Нейромедиаторы диффундируют через синаптическую щель, обычно на расстояние около 50 нм, и воздействуют только на одну постсинаптическую клетку-мишень (рис. 12-2). В каждом случае мишень реагирует на определенный внеклеточный сигнал с помощью специальных белков, называемых рецепторами, которые связывают сигнальную молекулу и инициируют ответ. Многие сигнальные молекулы и рецепторы используются в передаче сигнала и по эндокринному, и по паракринному, и по синаптическому типу. Главные различия касаются быстроты и избирательности воздействия сигнала на определенные мишени.

12- 12- 12.1.1. Эндокринные клетки и нервные клетки специализированы для разных типов химической сигнализации [1] Эндокринные и нервные клетки совместно координируют разнообразные функции миллиардов клеток, из которых состоит тело у высших животных. Эндокринные клетки обычно собраны в специальные железы Рис. 12-2. Три формы сигнализации с помощью секретируемых молекул. Не все нейромедиаторы действуют в синапсах, как показано на рисунке;

некоторые из них работают как локальные химические медиаторы (по паракринному типу), влияя сразу на целую группу соседних клеток мишеней.

и выделяют свои гормоны во внеклеточную (интерстициальную) жидкость, окружающую все клетки в тканях. Отсюда молекулы диффундируют в капилляры и разносятся с кровью по всему телу. В каждой ткани они проникают из капилляров в интерстициальную жидкость и могут связываться клетками-мишенями. Поскольку распространение эндокринного сигнала определяется диффузией и кровотоком, оно происходит сравнительно медленно: обычно требуются минуты, чтобы гормон достиг своей мишени. Кроме того, специфичность сигналов в эндокринной системе всецело зависит от химической природы сигнального вещества и рецепторов на поверхности клетки-мишени: каждый тип эндокринной клетки секретирует в кровь свой гормон, и любая клетка, имеющая комплементарный рецептор для этого гормона, ответит реакцией, характерной для данной клетки (рис. 12-3, А).

Работа нервных клеток отличается гораздо большей быстротой и точностью. Они могут передавать информацию на большие расстояния по нервному волокну с помощью электрических импульсов со скоростью более 100 м/с. Только в нервных окончаниях, где высвобождается нейромедиатор, эти импульсы преобразуются в химические сигналы. Химический сигнал нервной клетки может действовать как паракринный или как синаптический. В первом случае нейромедиатор, подобно локальному химическому медиатору, диффундирует наружу и влияет на все соседние клетки-мишени, у которых имеется надлежащий рецептор. При синаптической передаче сигнал гораздо более точен и действие нейромедиатора ограничено единственной клеткой-мишенью, даже если соседние клетки имеют рецепторы для того же нейромедиатора (рис. 12-3, Б). Поскольку расстояние, на которое нейромедиатор должен в таких случаях диффундировать, меньше 100 нм, процесс длится менее миллисекунды (рис. 12-2).

Гормоны в крови и интерстициальной жидкости очень сильно разбавляются, и поэтому они должны быть способны действовать в чрезвычайно низких концентрациях (обычно менее 10-8 М);

разбавление же нейромедиаторов на их коротком пути незначительно, и их концентрация около мембраны постсинаптической клетки может быть сравнительно высокой. Например, концентрация ацетилхолина в синаптической щели нервно-мышечного соединения составляет около 5-10-4 М. В соответствии с этим рецепторы нейромедиатора в синапсе обладают относительно низким сродством к своему лиганду и не могут заметным образом реагировать на низкие концентрации нейромедиатора, приходящего путем диффузии от соседних синапсов. Нейромедиатор быстро удаляется из синаптической щели специальными гидролитическими ферментами или мембранными транспортными белками, которые перекачивают его обратно в нервное окончание. Этим достигается точность воздействия сигнала не только в пространстве, но и во времени: короткое, «импульсное» освобождение нейромедиатора вызывает быстрый и краткий ответ, что позволяет сохранять временные характеристики сигнала при передаче его от клетки к клетке.

12.1.2. Главным регулятором эндокринной системы служит гипоталамус [1, 2] В определенном участке мозга-гипоталамусе-эндокринная и нервная системы физически и функционально связаны друг с другом.

Гипоталамус расположен непосредственно над гипофизом, с которым соединен ножкой гипофиза. Гипоталамус выполняет свою связующую роль с помощью клеток, сочетающих особенности нейрона и эндокринной клетки;

соответственно их называют нейроэндокринными (нейросекреторными) клетками. Большая часть таких клеток гипоталамуса отвечает на Рис. 12-3. Различие между гормональной (А) и синаптической (Б} передачей сигналов. Эндокринные клетки выделяют в кровь множество гормонов, и клетки-мишени, чувствительные к данному гормону, т.е. имеющие рецепторы для его связывания, «вылавливают» соответствующий гормон из внеклеточной жидкости. При синаптической же передаче специфичность определяется тесным контактом между окончанием нервного волокна и той клеткой-мишенью, которой это волокно передает сигнал: медиатор, выделяемый нервным окончанием, достигает только этой клетки.

Для специфической коммуникации с различными клетками-мишенями разные эндокринные клетки должны использовать разные гормоны, в то время как многие нервные клетки могут использовать один и тот же нейромедиатор, сохраняя при этом специфичность воздействия.

стимуляцию их нейронами других отделов мозга, выделяя в кровеносные сосуды гипофизарной ножки определенный пептидный гормон, который затем специфически стимулирует или подавляет секрецию гипофизом другого гормона. (Другие нейроэндокринные клетки гипоталамуса посылают аксоны в гипофиз и через них выделяют свои секреты Рис. 12-4. Секреция тиреоидного гормона опосредованно регулируется нервной системой. Определенные нейросекреторные клетки гипоталамуса при стимуляции их нейронами высших отделов мозга выделяют в кровеносные сосуды ножки гипофиза тиреолиберин, который, воздействуя на специфические клетки гипофиза, заставляет их высвобождать тиреотропный гормон (ТТГ). ТТГ током крови транспортируется к щитовидной железе и побуждает ее клетки синтезировать и выделять тиреоидный гормон. Этот гормон стимулирует разнообразные метаболические процессы в большинстве клеток организма. При этом повышение концентрации тиреоидного гормона в крови тормозит секрецию тиреолиберина и ТТГ (на схеме не показано). Эта отрицательная обратная связь препятствует чрезмерному повышению уровня тиреоидного гормона в крови. Подобного рода механизм регулирует секрецию многих гормонов.

Таблица 12-1. Некоторые примеры внеклеточных сигнальных молекул Источник Структура Главные эффекты Локальные химические медиаторы Белки Фактор роста нервов Кожа;

все ткани, Две идентичные цепи из 118 аминокислот Выживание и рост сенсорных и иннервируемые симпатических нейронов и некоторых симпатическими нейронов в ЦНС нервами Олигопсптиды Фактор хемотаксиса Тучные клетки 4 аминокислоты Хемотаксический сигнал для лейкоцитов эозинофилов определенного типа (эозинофилов) Производные аминокислот Гистамин Тучные клетки Вызывает расширение кровеносных сосудов и повышение их проницаемости Производные жирных кислот Простагландин Клетки многих типов Сокращение гладкой мускулатуры Нейромедиаторы Аминокислоты и родственные соединения + Глицин Нервные окончания Н3М— СН2— СОО- Тормозный медиатор в ЦНС Норадреналин Нервные окончания Возбуждающий и тормозный медиатор центральной и периферической нервной системы + -Аминомасляная Нервные окончания Н3М— СН2— СН2— СН2— СОО- Тормозный медиатор в ЦНС кислота Ацетилхолин Нервные окончания Возбуждающий медиатор в нервно-мышечном соединении;

возбуждающий и тормозный медиатор в центральной и периферической нервной системе Олигопептиды Энкефалин Нервные окончания 5 аминокислот Подобно морфину, тормозит передачу болевых сигналов в ЦНС Гормоны Белки Инсулин -Клетки Белок:

-цепь-21 аминокислота, -цепь-30 Утилизация углеводов (включая захват поджелудочной аминокислот глюкозы клетками);

стимуляция белкового железы синтеза;

стимуляция синтеза липидов в жировых клетках Соматотропин (гормон Передняя доля Белок, 191 аминокислота Стимулирует синтез в печени соматомедина-1, роста) гипофиза вызывающего рост мышц и костей;

сти- Продолжение табл. 12. Источник Структура Главные эффекты мулирует дифференцировку жировой, мышечной и хрящевой ткани Соматомедин-1 Главным образом Белок, 70 аминокислот Рост костной и мышечной ткани;

влияние на (инсулино-подобный печень метаболизм Са2+, фосфата, углеводов и фактор роста 1) липидов Адренокорти- Передняя доля Белок, 39 аминокислот Стимуляция синтеза кортизола корой котропный гормон гипофиза надпочечников;

освобождение жирных (АКТГ) кислот из жировых клеток Паратгормон Паращитовидные Белок, 84 аминокислоты Усиливает резорбцию кости, как следствие железы повышает уровень Са2+ и фосфата в крови;

усиливает реабсорбцию почками Са2+ и Mg2+ и уменьшает реабсорбцию фосфата Фолликулостимулиру Передняя доля Гликопротеин, -цепь-92 аминокислоты, -цепь 118 Стимуляция роста фолликулов яичника и ющий гормон (ФСГ) гипофиза аминокислот секреции ими эст-радиола;

стимуляция сперматогенеза в семенниках Лютеинизирующий Передняя доля Гликопротеин, -цепь-92 аминокислоты, -цепь - Стимуляция созревания ооцитов, овуляции и гормон (Л Г) гипофиза 115 аминокислот секреции прогестерона яичником;

стимуляция выработки тестостерона семенниками Фактор роста Неизвестен Белок, 53 аминокислоты Стимуляция клеток эпидермиса и других эпидермиса клеток к делению Тиреотропный гормон Передняя доля Гликопротеин, -цепь-92 аминокислоты, -цепь-112 Стимуляция синтеза тироксина в щитовидной (ТТГ) гипофиза аминокислот железе;

освобождение жирных кислот жировыми клетками Олигопептиды Тиреолиберин Гипоталамус 3 аминокислоты Стимуляция синтеза тиреотропного гормона (ТТГ) передней долей гипофиза Люлиберин Гипоталамус 10 аминокислот Стимуляция синтеза лютеинизирующего гормона (ЛГ) передней долей гипофиза Вазопрессин Задняя доля 9 аминокислот Повышение кровяного давления в результате (антидиуретический гипофиза сужения мелких кровеносных сосудов;

гормон) усиленная реабсорбция воды в почечных канальцах Соматостатин Гипоталамус 14 аминокислот Подавление секреции соматотропина передней долей гипофиза Продолжение табл. 12. Источник Структура Главные эффекты Производные аминокислот Адреналин Мозговое вещество Повышение кровяного давления, ускорение надпочечников сердечного ритма;

усиление гликогенолиза в печени и мышцах;

выброс жирных кислот жировыми клетками Тиреоидный гормон Щитовидная Повышение метаболической активности (тироксин) железа большинства клеток Стероидные гормоны Кортизол Кора надпочечников Влияние на метаболизм белков, углеводов и липидов в большинстве тканей;

подавление воспалительных реакций Эстрадиол Яичники, Развитие и поддержание женских вторичных плацента половых признаков;

созревание и циклическая активность придаточных органов половой системы, развитие протоков молочной железы Тестостерон Семенники Развитие и поддержание мужских вторичных половых признаков;

созревание придаточных органов и поддержание их нормальной функции Прогестерон Яичники (желтое Подготовка матки к беременности;

тело), плацента сохранение беременности;

развитие альвеолярной системы молочных желез Норадреналин и энкефалин чаще действуют по паракринному, чем по синаптическому типу;

ацетилхолин может действовать и тем и другим способом. Возбуждающие нейромедиаторы стимулируют активность клеток-мишеней, а тормозные подавляют ее.

Многие нестероидные гормоны синтезируются также некоторыми нейронами головного мозга.

в общий кровоток.) Многие из гормонов гипофиза, выделяемых под контролем гипоталамуса, стимулируют какую-либо из других эндокринных желез и вызывают секрецию в кровь третьего гормона. Таким образом, гипоталамус служит у позвоночных главным регулятором эндокринной системы. В качестве примера на рис. 12-4 показано, каким образом он регулирует секреторную функцию щитовидной железы.

В табл. 12-1 приведены сведения о некоторых локальных химических медиаторах, нейромедиаторах и гормонах - указаны места их синтеза, структура и основное действие. Видно, что структура сигнальных молекул так же разнообразна, как и их функции. Среди этих молекул есть короткие пептиды, более крупные белки и гликопротеины, аминокислоты и родственные им соединения, стероиды (вещества, образующиеся из холестерола и очень сходные между собой по структуре) и производные жирных кислот. Каждая сигнальная молекула представлена в табл. 12- только в одном разделе, хотя многие из них могут действовать несколькими способами. Например, некоторые пептидные гормоны в головном мозгу позвоночных действуют как нейромедиаторы (в качестве паракринных факторов).

12.1.3. Разные клетки по-разному реагируют на один и тот же сигнал Большинство клеток у взрослых животных специализировано для выполнения какой-то одной главной функции, и все они имеют характерный набор рецепторов, который позволяет им реагировать на химические сигналы, запускающие или модулирующие эту функцию. Многие сигнальные молекулы действуют в очень низкой концентрации (обычно не более 10-8 М), и связывающие их рецепторы, как правило, имеют к ним высокое сродство (константа сродства Ка 108 л/моль).

Одни и те же сигнальные молекулы часто оказывают различное действие на разные клетки-мишени. Например, ацетилхолин стимулирует сокращение волокон скелетной мускулатуры, но уменьшает частоту и силу сокращения клеток сердечной мышцы. В данном случае рецепторы ацетилхолина в скелетных мышцах отличаются от рецепторов на клетках миокарда. Но не всегда причина состоит в различии рецепторов. Часто одинаковые сигнальные молекулы связываются с идентичными рецепторами, и все же это ведет к совершенно разным реакциям у различных клеток-мишеней (рис. 12-5). Это означает, что ответы клеток-мишеней могут быть запрограммированы двумя способами: либо самим набором рецепторов клеточной поверхности, либо теми внутриклеточными системами, с которыми эти рецепторы сопряжены.

12.1.4. Реакция клетки на химический сигнал может быть в одних случаях быстрой и кратковременной, в других - медленной и продолжительной [2, 3] Химические сигналы, приводящие клеточные функции в соответствие с изменениями среды, обычно вызывают быстрые и кратковременные ответы. Например, повышение уровня глюкозы в крови стимулирует секрецию белкового гормона инсулина эндокринными клетками поджелудочной железы. В считанные минуты повышение концентрации инсулина заставляет клетки печени и мышц усиленно поглощать глюкозу, и ее концентрация в крови падает. Этот ответ состоит из трех частей, ни одна их которых не требует синтеза нового белка:

1) в поджелудочной железе повышение уровня глюкозы заставляет клетки освобождать (путем экзоцитоза) запасенный в них инсулин;

2) в жировых и мышечных клетках во внутриклеточных пузырьках имеется некоторый резерв белков, транспортирующих глюкозу, и повышение уровня инсулина стимулирует включение этих пузырьков с их белками в плазматическую мембрану, что повышает скорость поглощения глюкозы;

тогда уровень глюкозы в крови падает, и это снижает секрецию инсулина;

3) поскольку при снижении уровня инсулина добавочные переносчики Рис. 12-5. Одни и те же сигнальные молекулы могут вызывать в разных клетках-мишенях различные ответы. В некоторых случаях это обусловлено тем, что сигнальная молекула связывается с разными белками-рецепторами (А и Б). В других случаях такие молекулы связываются с одинаковыми рецепторами, но активируют в разных клетках разные механизмы ответа (В и Г).

глюкозы быстро удаляются с клеточной поверхности путем эндоцитоза и снова включаются во внутриклеточный пул, скорость поглощения глюкозы жировыми и мышечными клетками возвращается к исходному уровню. Таким способом поддерживается относительно постоянная концентрация глюкозы в крови.

Нейромедиаторы вызывают еще более быстрые реакции: в ответ на освобождение ацетилхолина из двигательных нервных окончаний волокна скелетной мышцы сокращаются и вновь расслабляются всего лишь за несколько миллисекунд.

Химические сигналы играют важную роль и в процессах индивидуального развития животных, нередко определяя время и тип дифференцировки тех или иных клеток. Некоторые из вызываемых эффектов проявляются медленно и бывают продолжительными. Например, в период полового созревания клетки яичника начинают секретировать в больших количествах стероидный женский половой гормон эстрадиол.

Этот гормон вызывает изменение многих клеток в различных частях организма, что в конце концов приводит к развитию вторичных женских половых признаков, например к увеличению грудных желез. Если секреция эстрадиола прекращается, эти эффекты постепенно исчезают, но некоторые реакции, вызываемые стероидными половыми гормонами на очень ранней стадии развития млекопитающих, необратимы. Сходным образом, десятикратное повышение концентрации тиреоидного гормона в крови головастика стимулирует ряд радикальных и необратимых изменений, приводящих к его превращению в лягушку (рис. 12-6), 12.1.5. Только жирорастворимые сигнальные молекулы могут самостоятельно проникать в клетку Все известные нейромедиаторы, а также большинство гормонов и локальных химических медиаторов водорастворимы. Есть, однако, исключения, и они образуют отдельный класс сигнальных молекул. Важными примерами служат сравнительно плохо растворимые в воде стероидные и тиреоидные гормоны, которые переносятся кровью в виде растворимых комплексов со специфическими белками-переносчиками. С таким различием в растворимости связаны фундаментальные различия в механизмах действия этих двух классов молекул на клетки-мишени.

Водорастворимые молекулы слишком гидрофильны, чтобы прямо приходить через липидный бислой плазматической мембраны;

поэтому они связываются со специфическими белковыми рецепторами на клеточной поверхности. Напротив, стероидные и тиреоидные гормоны растворимы в липидах и, отделившись от белка-носителя, могут легко проникать через плазматическую мембрану клетки-мишени. Эти гормоны связываются с белковыми рецепторами внутри клетки (рис. 12-7).

Еще одно важное различие между двумя описанными классами сигнальных молекул - это разная продолжительность жизни в кровотоке или тканевой жидкости. Водорастворимые молекулы, перейдя в кровь, Рис. 12-6. Превращение головастика в лягушку. Показанные радикальные изменения вызываются тиреоидным гормоном. Если у развивающегося эмбриона удалить зачаток щитовидной железы, животное будет продолжать расти как головастик, не претерпевая метаморфоза.

При введении тиреоидного гормона этот гигантский головастик превращается в лягушку.

Рис. 12-7. Внеклеточные сигнальные молекулы в зависимости от своей растворимости связываются с поверхностными или внутриклеточными рецепторами. Гидрофильные молекулы не способны прямо проходить через плазматическую мембрану, поэтому они связываются с рецепторами на поверхности клетки-мишени. Многие гидрофобные молекулы могут диффундировать через плазматическую мембрану и связываться с рецепторами внутри клетки. Будучи нерастворимы в водных средах, гидрофобные сигнальные молекулы транспортируются кровью в виде комплексов со специальными белками-переносчиками, от которых они отделяются, перед тем как проникнуть в клетку-мишень.

обычно удаляются и/или разрушаются за время, измеряемое минутами, а локальные химические медиаторы и нейромедиаторы после выхода в межклеточное пространство инактивируются еще быстрее - за время порядка секунд или даже миллисекунд. В отличие от этого стероидные гормоны циркулируют в крови часами, а тиреоидные могут сохраняться несколько дней. Поэтому водорастворимые сигнальные молекулы обычно вызывают кратковременные реакции, а водонерастворимые - более продолжительный ответ. Здесь, однако, тоже есть исключения из основного правила: простагландины, например, являются гидрофобными локальными медиаторами, но они связываются с поверхностными клеточными рецепторами и вызывают кратковременный ответ.

12- 12.1.6. Локальные химические медиаторы после их секреции быстро разрушаются, подвергаются обратному захвату или иммобилизуются [4] Сигнальные молекулы паракринного типа воздействуют только на ближайшее окружение выделяющей их клетки. Такие локальные химические медиаторы столь быстро поглощаются клетками, разрушаются внеклеточными ферментами или иммобилизуются во внеклеточном матриксе, что, как правило, не попадают в кровь в сколько-нибудь значительном количестве.

Некоторые локальные медиаторы вырабатываются специально приспособленными для этого клетками. Например, гистамин (производное аминокислоты гистидина, см. табл. 13-1) выделяют главным образом тучные клетки. Эти клетки, встречающиеся в соединительной ткани всех частей тела, накапливают гистамин в больших секреторных пузырьках и в случае повреждения ткани, при местной инфекции или при некоторых иммунных реакциях быстро освобождают его путем экзоцитоза (разд. 18.2.5). Гистамин вызывает местное расширение кровеносных сосудов и увеличивает их проницаемость, что облегчает доступ к поврежденному участку фагоцитирующим лейкоцитам и белкам сыворотки (например, антителам и компонентам системы комплемента-см. гл. 18). Тучные клетки выделяют также два тетрапептида, привлекающих к месту своей секреции лейкоциты из группы эозинофилов;

эозинофилы же содержат разнообразные ферменты, участвующие в инактивации гистамина и других освобождаемых тучными клетками медиаторов, что способствует прекращению реакции.

Некоторые локальные химические медиаторы после их секреции не уничтожаются, а быстро иммобилизуются. В эту группу входят фибронектин, протеогликаны и ряд других макромолекул внеклеточного матрикса. Эти секретируемые клетками макромолекулы можно рассматривать как специальную группу локальных медиаторов, так как они оказывают влияние только на соседние клетки (разд. 14.2). В отличие от других локальных медиаторов они объединяются во внеклеточном пространстве в нерастворимую сеть, утрачивают подвижность и не могут поэтому диффундировать из того места, где образовались. Таким образом, хотя их эффект и локален, он может быть продолжительным.

Внеклеточный матрикс тоже иногда связывает растворимые сигнальные молекулы, иммобилизуя их так, что они действуют только в определенном участке. Например, фактор роста фибробластов (fibroblast growth factor, FGF), - небольшой белок, стимулирующий деление самых разнообразных клеток в культуре, - in vitro прочно связывается с протеогликаном внеклеточного матрикса и, возможно, таким же способом иммобилизуется в тканях.

12.1.7. У млекопитающих клетки всех тканей непрерывно выделяют простагландины [5] Для синтеза многих химических медиаторов существуют специальные клетки, но есть и такие медиаторы, источники которых более разнообразны. Важным примером служат простагландины - семейство производных жирной кислоты с 20 атомами углерода, образующихся во всех тканях млекопитающих. Эти локальные медиаторы непрерывно синтезируются в мембранах клеток из предшественников, отщепляемых от мембранных фосфолипидов фосфолипазами (рис. 12-8), и столь же непрерывно разрушаются ферментами во внеклеточной жидкости. Существует не менее 16 различных простагландинов, подразделяемых на 9 классов (PGA, PGB, PGC,... PGI), которые, связываясь со специфическими рецепторами клеточной поверхности, вызывают разнообразные биологические эффекты.

В отличие от большинства других сигнальных молекул простагландины не накапливаются в клетках, а по мере их синтеза все время освобождаются во внеклеточное пространство. Однако, когда клетки активируются при повреждении ткани или под действием некоторых химических факторов, скорость синтеза простагландинов возрастает;

повышение локальной концентрации простагландинов оказывает воздействие не только на клетку, которая их выделяет (аутокринная стимуляция), но и на соседние клетки. Аутокринная стимуляция, возникающая в ответ на другой химический сигнал, может усиливать эффект последнего и (или) его продолжительность, а также его распространение на большую локальную популяцию однотипных клеток.

С простагландинами связывают множество разнообразных биологических эффектов. Они вызывают сокращение гладкой мускулатуры, агрегацию тромбоцитов, участвуют в воспалительной реакции. Некото- Рис. 12-8. Простагландины непрерывно синтезируются в мембранах из жирных кислот с длинной цепью, состоящих из 20 углеродных атомов и содержащих не менее трех двойных связей. На схеме показан синтез РОЕ2. Индекс указывает на две двойные углерод-углеродные связи вне кольца PGE2. Простагландины вместе с химически родственными им сигнальными молекулами - тромбоксонами, лейкотриенами и липоксинами- образуются главным образом из арахидоновой кислоты и носят общее название эйкозаноидов. Этот метаболический путь служит важной мишенью для лекарственных препаратов, так как эйкозаноиды играют большую роль в развитии воспаления. Кортикостероидные гормоны, такие как кортизон, широко применяются при лечении неинфекционных воспалительных заболеваний, например некоторых форм артрита. Один из возможных механизмов их действия - индукция синтеза и (или) секреции лейкоцитами локальных химических медиаторов, называемых липокортшшми (или кальпактинами). Это белки, каким-то образом подавляющие активность фосфолипазы на первом этапе показанного здесь пути синтеза эйкозаноидов. Такие нестероидные противовоспалительные препараты, как аспирин, блокируют окислительные этапы синтеза простагландинов. Для лечения артритов применяют как кортикостероиды, так и аспирин.

рые простагландини, образующиеся в матке во время родов, по-видимому, важны для стимуляции сокращений гладкой мускулатуры матки. Эти простагландины сейчас широко используют в качестве фармакологических агентов, вызывающих аборт. С другой стороны, действие таких противовоспалительных средств, как аспирин, основано на подавлении биосинтеза прост аг лан динов в очагах воспаления.

Заключение Внеклеточные сигнальные молекулы можно разделить по степени их «дальнодействия» на три основных класса: 1) локальные химические медиаторы, которые быстро поглощаются или разрушаются и поэтому оказывают влияние только на соседние клетки;

2) гормоны, которые переносятся к своим мишеням, распределенным нередко по всему организму, с кровотоком;

3) нейро медиаторы, действующие только на постсинаптическую клетку. Каждый тип клеток организма имеет свойственный ему набор белков-рецепторов, позволяющий запрограммированным и характерным образом реагировать на соответствующий набор сигнальных молекул.

Сигнальные молекулы можно также классифицировать по их растворимости в воде. Небольшие гидрофобные молекулы, такие как стероидные гормоны или гормоны щитовидной железы, свободно проходят через плазматическую мембрану клетки-мишени и активируют рецепторний белок в ее цитоплазме. В отличие от этого гидрофильные молекулы, в частности нейр о медиаторы и большинство гормонов и локальных химических медиаторов, активируют белковый рецептор на поверхности клетки-мишени.

12.2. Сигнализация с участием внутриклеточных рецепторов: механизмы действия стероидных гормонов Множество онтогенетических и физиологических процессов у самых разных организмов - от грибов до человека- регулируется небольшим числом стероидных гормонов, синтезируемых из холестерола. Будучи сравнительно небольшими (мол. масса около 300) гидрофобными молекулами, эти гормоны проходят через плазматическую мембрану путем простой диффузии. Оказавшись внутри клетки-мишени, стероидный гормон каждого типа прочно, но обратимо связывается со своим специфическим рецепторным белком. Присоединение гормона ведет к аллостерическому изменению конформации рецепторного белка (процесс, называемый активацией рецептора}, что повышает сродство последнего к ДНК;

это позволяет рецептору связываться со специфическими генами в ядре и регулировать их транскрипцию. Аналогичным образом действуют гормоны щитовидной железы (тиреоидные гормоны), связываясь со своими рецепторами, которые очень сходны с рецепторами стероидов.

12- 12.2.1. Комплексы стероидных гормонов с рецепторами присоединяются к специфическим последовательностям ДНК и регулируют транскрипцию генов Типичная клетка-мишень содержит около 10000 рецепторов для стероидных гормонов. Каждый рецептор может обратимо связать одну молекулу определенного гормона с высоким сродством (константа Рис. 12-9. Модель белка-рецептора для стероидного гормона. Как полагают, в неактивном состоянии он связан с ингибиторным белком, который блокирует ДНК-связывающий домен рецептора. Связывание гормона рецептором приводит к отделению белка-ингибитора, и в результате рецептор активируется. Прообразом для этой модели послужил рецептор кортизола (глюкокортикоида), но сходную структуру имеют также рецепторы для эстрогенов, тестостерона, прогестерона, альдостерона, тиреоид-ного гормона, ретиноевой кислоты и витамина D (см. рис. 10-25);

вместе все эти белки образуют надсемейство рецепторов стероидных гормонов. В случае рецепторов кортизола и эстрогенов белком-ингибитором служит «белок теплового шока» hsp90 с мол. массой около 90000 (разд. 8.2.7).

сродства Ка от 108 до 1010 л/моль). Поскольку рецепторы составляют менее 0,01% общей массы белка в клетке, очистить и охарактеризовать их очень трудно. Недавно, однако, последовательности ДНК, кодирующие некоторые рецепторы стероидных гормонов позвоночных (их кДНК), были клонированы и секвенированы. Оказалось, что рецепторные белки имеют очень сходную структуру. Их полипептидная цепь длиной около аминокислотных остатков образует три отдельных домена: С-концевой домен, который связывает гормон, центральный домен, связывающийся с ДНК, и N-концевой, который активирует транскрипцию гена (рис. 12-9).

Некоторые типы рецепторов стероидных гормонов изначально, в отсутствие гормона, находятся в цитозоле, а другие - в ядре. В обоих случаях присоединение гормона повышает сродство рецептора к ДНК, что позволяет рецептору прочно связываться с определенными нуклеотидными последовательностями в гене, который регулируется данным гормоном. Связывание гормон-рецепторного комплекса со специфическими участками гена активирует (или иногда подавляет) транскрипцию данного гена.

Получить прямое доказательство того, что активированные рецепторы стероидных гормонов связываются со специфическими генами, было очень трудно, и это удалось сделать лишь в 1983г., когда была разработана технология рекомбинантных ДНК. Она позволила клонировать гены, регулируемые стероидными гормонами, и получать в больших количествах специфические последовательности ДНК. Необходимо было еще очистить рецепторные белки, что само по себе является весьма трудоемкой и длительной процедурой. Как только удалось получить рецепторы в очищенном виде, связывающие их последовательности ДНК были картированы in vitro методом футпринтинга (разд. 4.6.6);

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 13 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.