[Анатолий Муха]

Клетки разговаривают и помогают друг другу через целую сеть трубочек


О туннельных нанотрубках и других “мостиках” между клетками известно давно, теперь мы знаем, что через эту сеть идет обмен РНК, протеинами и даже целыми органоидами.

Когда десять лет назад Эмиль Лу (Emil Lou), терапевт и ученый, работал в отделении онкологии клиники Memorial Sloan Kettering Cancer Center (США), он часто замечал какие-то мелкие, почти неуловимые структуры в культурах раковых клеток. Он рассказывает, как, глядя в микроскоп, он “продолжал находить эти длинные, тонкие, почти прозрачные линии,” протянутые между клетками, примерно 50 нанометров в ширину и от 120 до 200 микронов в длину. Эмильпроконсультировался с известными на весь мир клеточными биологами, которые работали с ним в здании, чтобы они помогли объяснить эти наблюдения, но никто не был уверен, что конкретно они видят. В итоге, после продолжительного копания в литературе, Лупонял, что по описанию эти линии совпадают с находкой группы Ганса-Германа Гердеса из Гейдельбергского университета. В статье Science от 2004 года группа описала их как “нанотрубочные трассы” или “туннельные нанотрубки” (ТНТ).

Лу волновался, что линии, которые он увидел могут быть иллюзией, поэтому он проверил весь архив проб опухолей пациентов в этом центре рака. Каково же было его удивление, когда те же длинные клеточные связи обнаружились в этих опухолях. Поэтому он решил изучить их роль и значение. С тех пор, будучи членом факультета Унивеситате штата Миннесота, он нашел доказательства, что клетки опухолей используют эти ТНТ, чтобы делиться молекулярными посланиями в форме коротких регуляторных отрывков РНК, называемых микроРНК, и это позволяет раковым клеткам, которые устойчивы к химиотерапии, передавать эту устойчивость своим соседям.

Почему же так долго эти нанотрубочки никто не замечал? Луотмечает, что в последние несколько десятилетий, исследования раковых заболеваний фокусировались преимущественно на определении и терапевтическом воздействии на мутации в раковых клетках, — а не на связывающих их структурах. “Это было прям под нашими носами, но если люди не обращают внимания, они пропустят подобное,” — говорит он.

Сейчас все меняется. На протяжении последних лет значительно выросло количество ученых, которые работают с ТНТ и пытаются понять, зачем они нужны. Благодаря усилиям команд исследователей, мы теперь знаем, что туннельные нанотрубки переносят самые разные “посылки”, не только микроРНК, но и лизосомы, и митохондрии.

“Это лишь вершина айсберга, — отмечает Лу. — Сейчас довольно увлекательное время, наблюдать за всем этим.”

Эти хрупкие структуры появляются не только при болезнях вроде рака, СПИДа и нейродегенеративных болезнях, но и при обычном зачаточном развитии. Здоровые взрослые клетки обычно не создают ТНТ, но подвергнутые стрессу и больные клетки часто стимулируют их появление, отправляя сигналы о помощи соседям. Впрочем, пока что непонятно, как именно здоровые клетки чуят, что соседям нужна помощь, и откуды они психологически “знают”, какие именно ресурсы нужно отправить.


Увидеть —  значит поверить
Открытие ТНТ было счастливой случайностью. Амин Рустом (Amin Rustom), в то время член команды Гердеса, а теперь исследователь при Гейдельбергском университете, вспоминает, что все началось с нового флюоресцентного красителя, который нужен для выделения деталей строения клеток. В инструкции по применению красителя было несколько последовательных шагов очистки, но он пропустил некоторые из них и взглянул в микроскоп. Именно тогда Амин и заметил длинные трубчатые структуры, которые выделил краситель (Амин считает, что если бы он выполнил все шаги очистки, трубочки бы сломались).

Используя методы микроскопии, команда продолжила изучение структур, и ребята сумели определить, что перед ними полые каналы, по которым от клетки к клетке движутся органеллы и мембранные пузырьки. В тот момент стало понятно, что мембранные трубки — это “совершенно новый механизм общения между клетками”. Впрочем, убедить в этом других оказалось не так то просто. Многие исследователи считали,что ТНТ это побочный продукт экспериментов, а не образованная самой природой сеть. Из-за сильного скептицизма по отношению к открытиям, группе понадобилось почти 5 лет, чтобы наконец-то добиться публикации этой работы.

Впрочем, доказательство того, что ТНТ — это трассы клеточного взаимодействия, оставалось проблемой. У клеток есть и другие механизмы обмена молекулами, в частности, нексусы и экзосомы.

Если ТНТ — это крытые пешеходные мосты, то нексусы сравнимы с дверью между смежными комнатами. Экзосомы же это маленькие мешочки, выбрасываемые клетками, в которых, согласно новым исследованиям, находится вовсе не мусор, как считалось ранее, а микроРНК и другие сигнальные молекулы. Эти мешочки могут передвигаться на большие расстояния. Пробема доказательства функции ТНТ в том, что сложно описать его работу, не затронув принятые объяснения этих других коммуникационных каналов.

Поэтому многие ученые продолжают сомневаться в предполагаемых функциях ТНТ. Кьяра Зурзоло, глава департамента клеточной биологии и инфекций в Pasteur Institute (Париж), проводит исследования туннельных нанотрубок, но признает сопутствующие трудности: “Нет даже их точного описания, так как можно поверить во что-то, что может быть чем угодно?

Впрочем, благодаря развитию микроскопии и других методов, появляются все новые ответы. Ян Смит, изучающий ТНТ в Калифорнийском университете в Ирвине, специализируется на методах визуализации, достаточно мягких, чтобы наблюдать за живыми клетками в течение долгих часов, а порой и дней.

Гал Хаймович, работающий сейчас в Институте наук им. Вейцмана в Израиле, в 2012 году занимался исследованиями передачи РНК между клетками. В одной чашке петри он вырастил две клеточные разновидности — только одна из которых имела конкретную мРНК. Прям на его глазах молекулы мРНК мигрировали по ТНТ к другим клеткам. Для проверки теории о том, что одни клетки помогают другим намеренно, а не случайно, он следил за тем, как изменение условий влияло на количество РНК-”посылок”. Теория подтвердилась. Причем эффект возникал только если стресс был направлен на принимающие клетки, прокоментировал он, воздействие на донорские не вызывало пересылку “посылок”. Результаты его исследования были опубликованы в прошлом году в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Добавлено через 33 секунды
ТНТ в раковых клетках
Уж кто-кто, а раковые клетки находятся под постоянным стрессом, так что неудивительно, что в опухолях наблюдаются туннельные нанотрубки.

Исследователи даже замечали эти трубочки, но не придавали им значения. Франк Уинклер, нейролог, онколог и исследователь рака из Гейдельбергского университета, признает, что они убедились в существовании трубочек, только когда увидели их в живых клетках. В ходе эксперимента он применил химиотерапию и радиацию к разным раковым опухолям — изолированные клетки умирали, но те, что были соединены друг с другом микротрубками и ТНТ, выживали! Причем в реакции на стресс такие клеточные сети начинают формировать еще больше трубочек, усиливая систему.

Интересное наблюдение: клетки глиом — опухолей головного мозга, — образуют связи со здоровыми клетками, то есть происходит двухсторонняя коммуникация с тканями мозга. Мишель Монье, онколог из Стэнфордского университате, подтвердила, что мозговая активность вызывает прогрессирование роста глиом. Уинклер считает, что микротрубки и ТНТ играют в этом непосредственную роль.

Хорошая новость в том, что эти микро- и нанотрубки открывают абсолютно новую область для терапевтического воздействия! Кстати, в 2015 году департамент здравоохранения США одобрил применение первого вируса-онколитика в лечении пациентов с меланомами. Луобнаружил, что этот вирус передвигается как раз по ТНТ.

Имунная система
Функция имунной системы во многом зависит от дендритных клеток, которые, как оказалось, активно объединяются в сети с помощью ТНТ. Исследования показали, что ВИЧ и другие вирусы используют эти трубки, чтобы распростроняться по клеткам. Подавление образования ТНТ ведет к замедлению распространения ВИЧ. Причем оказалось, что у зараженных людей, организмы которых по ранее неясным причинам сами по себе сдерживают распространение ВИЧ, наблюдается дефект в образовании ТНТ. Причем эта генетическая особенность связана с уровнем холестерина, так что теперь ученые изучают, можно ли перепрофилировать лекарства от повышенного уровня холестерина на контроль вирусных инфекций.

Не только ВИЧ распространяется по клеткам через ТНТ. Есть все признаки того, что и болезнь Альцгеймера, и болезнь Паркинсона распространяются таким образом между нейронами. Конечно, остается проблема равновесия — ведь и здоровые клетки связаны ТНТ, поэтому воздействия на эту структуру может навредить нормальной физиологии мозга.


Фундаментальная роль
Многие ученые воодушевлены новой областью изучений и открывшимися возможностями, другие же по-прежнему скептично настроены, ведь мы еще не до конца разобрались в фундаментальной биологии ТНТ.

Сейчас важно понять, что именно заставляет клетки образовывать больше этих маленьких, но таких важных трубочек. Нужно определить биомаркеры, которые помогут конкретно выделять их, а также нужно создать классификацию структурного и функционального разнообразия нано- и микротрубочек.

Зурзоло согласна, что понадобятся строгие научные эксперименты, чтобы показать, чем являются эти структуры и что они делают. И тогда эта область сможет двинуться вперед. Тем не менее, она уверена, что ТНТ крайне важны. “Я уверена, что у ТНТ множество функций, и они задействованы во многих болезнях, потому что как бы то ни было, это общение между клетками, — говорит он. — Это фундаментальная функция клеток.”

 — 

Статья подготовлена по материалу Вивиан Кальер в интернет-издании QuantaMagazine специально для Funscience.