Как отмечалось в статьях на сайте, исследования внеклеточного матрикса и межклеточных контактов за последние 100 лет существенно продвинулись. В настоящее время нам известны основные компоненты этих структур, а также многое об их строении и функциях. Благодаря последним достижениям в области молекулярной генетики мы знаем, каким образом эти молекулы функционируют в процессе развития организмов.
Для того чтобы понять, что необходимо сделать в этой области дальше, давайте обратимся к практическому примеру. Посмотрите на свою руку. Поверните ее, постучите по столу пальцами, пощелкайте ими. Обратите внимание, как они сложно устроены. Ткани, из которых состоит наша рука, включают несколько миллиардов клеток. Эти клетки связываются между собой при участии внеклеточного матрикса и межклеточных контактов. Для того чтобы понять, как работает наша рука, нам необходимо знать, из каких частей она состоит, как они взаимодействуют между собой, и каким образом функционируют.
Такой подход с позиций редукционизма был применен к исследованиям внеклеточного матрикса и межклеточных контактов в таких органах, как сердце и печень.
Пока в результате исследований внеклеточного матрикса и межклеточных контактов было идентифицировано много разных типов структур и белков. Теперь мы знаем, что в этих структурах находятся сотни различных белков, однако это лишь часть от всех белков, входящих в их состав.
По мере нашего приближения к концу этого этапа исследований клеточной биологии, применение генетических методов и методов протеомики позволяет идентифицировать каждый белок и, может быть, даже делать предварительные выводы о его функциях.
Нам важно знать, каким образом взаимодействуют друг с другом различные структуры и белки. Чтобы разобраться в этом, необходимо наблюдать за большими группами взаимодействующих друг с другом клеток, выполняющих одну задачу. После того, как будет идентифицирован каждый белок, в результате применения редукционистского подхода будет достигнут этап, позволяющий in vitro собрать ткани и органы, содержащие эти белки.
Предметом развивающейся области тканевой инженерии является, главным образом, реконструкция тканей в соответствии с основными принципами клеточной биологии. По мере того как мы больше узнаем о механизмах контроля клеточных функций со стороны внеклеточного матрикса и белков зоны межклеточного контакта, мы можем применять эти сведения для лабораторного создания тканей, все больше приближающихся к природным. Уже достигнуты успехи в разработке таких искусственных органов, как кожа, кости, хрящи, печень, роговица, кровеносные сосуды и даже спинной мозг.
Одной из отличительных особенностей следующей стадии исследований внеклеточного матрикса и межклеточных контактов станет расширение основных знаний, полученных ранее, и разработка полностью функциональных органов, способных заменить органы, поврежденные в результате травмы или заболевания.
Внеклеточный матрикс состоит из сотен различных молекул, которые взаимодействуют между собой сложным и высокоупорядоченным образом. Структурная устойчивость и гидрофильное окружение тканей обеспечиваются двумя основными группами молекул внеклеточного матрикса: структурными гликопротеинами (коллагены, эластины, фибронектины, ламинины) и протеогликанами (например гепарансульфатом). Каждая из этих молекул содержит структурные элементы, обеспечивающие присоединение клеточных рецепторов, факторов роста и других молекул внеклеточного матрикса.
Эти молекулы контролируют функциональную активность клеток, обеспечивая их сборку в трехмерные тканевые структуры, активируя процессы внутриклеточной передачи сигнала, и создавая субстрат, на котором происходит миграция клеток. Известно также, что состав компонентов матрикса во времени меняется, и находящиеся в нем клетки обеспечивают его формирование и деградацию в ответ на специфические сигналы.
Идентифицировано, по крайней мере, 100 различных белков, которые, объединяясь, образуют на поверхности клеток специализированные комплексы, участвующие в их прикреплении к внеклеточному матриксу и в формировании межклеточных контактов. Эти комплексы выполняют много специализированных функций.
Плотные и септированные контакты регулируют параклеточный транспорт между слоями эпителия; адгезивные контакты и фокальные адгезии связывают поверхность клеток с актиновым цитоскелетом, тем самым обеспечивая контроль клеточной подвижности; десмосомы и полудесмосомы связывают поверхность клетки с сетью промежуточных филаментов, обеспечивая устойчивость структуры и распределяя напряжение по обширной сети. Многие из этих комплексов содержат сигнальные белки, которые сообщаются с внутренним содержимым клетки, регулируя такие ее функции, как, например, рост. Эти сигнальные сети имеют крайне сложную организацию.
Читайте также: Какого происхождения ткань ситец
Каким образом объединяются все эти молекулы, образуя самостоятельно функционирующую единицу? Выяснение этого вопроса составляет предмет следующего этапа развития клеточной биологии. Уже становится заметной основная тенденция: в тех случаях, когда идентифицировано большинство молекулярных компонентов структуры (например, базальной ламины), основной упор в дальнейших исследованиях переносится на выяснение того, как взаимодействуют эти компоненты, образуя функционирующую ткань.
Разобрав на составные части такую клеточную структуру, как базальная ламина, мы теперь пытаемся опять собрать их вместе в такую функциональную единицу, как искусственная кожа. На четвертом этапе исследований центральное место в клеточной биологии будет занимать область тканевой инженерии, в которой полученные знания используются для получения биологических структур de novo.
Схемы строения межклеточных контактов эпителиальных клеток (слева),
контактных адгезивных комплексов клеток неэпителиального происхождения (справа) и комплексов клеток с внеклеточным матриксом (внизу).
Показаны также основные классы компонентов внеклеточного матрикса (ВКМ).
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Внеклеточные структуры в тканях
• Межклеточные контакты представляют собой специализированные белковые комплексы благодаря которым соседние клетки вступают во взаимный контакт и сообщаются друг с другом
• Внеклеточный матрикс представляет собой плотную сеть, состоящую из белков, которая расположена между клетками и образована ими самими
• Клетки экспрессируют рецепторы для белков внеклеточного матрикса
• Белки внеклеточного матрикса и межклеточные контакты контролируют трехмерную организацию клеток в ткани, а также их рост, подвижность, форму и дифференцировку
Одним из наиболее важных событий в эволюции живых существ было появление многоклеточных организмов. Когда клетки выработали способ группироваться вместе, они приобрели способность образовывать сообщества, в которых различные клетки специализированы по функциям. Если, например, два одноклеточных организма «объединяют усилия», можно представить себе, что каждый из них будет специализироваться на выполнении определенных функций, необходимых для успешного роста и размножения, а остальные оставит своему партнеру.
Для образования простого многоклеточного организма или ткани более сложного организма клетки должны надежно прикрепляться друг к другу. Как показано на рисунке ниже, для клеток животных это прикрепление может достигаться тремя путями. Во-первых, клетки непосредственно прикрепляются друг к другу посредством образования межклеточных контактов, которые представляют собой специальные модификации клеточной поверхности соседних клеток. Эти контакты видны в электронном микроскопе. Во-вторых, клетки могут взаимодействовать между собой без формирования контактов, используя белки, которые не образуют такие специализированные области. В-третьих, клетки соединяются между собой непрямым образом, прикрепляясь к сети внеклеточного матрикса (ВКМ), который содержит молекулы, расположенные в межклеточной среде.
Прикрепление клеток происходит за счет образования контактов их поверхности с внеклеточным матриксом.
Однако формирование многоклеточного организма представляет собой не такую простую задачу, как скрепление нескольких клеток друг с другом. Правильное функционирование таких сообществ клеток обеспечивается их эффективным взаимодействием и разделением труда между ними. Межклеточные контакты представляют собой высокоспециализированные области, в которых клетки соединяются между собой посредством белковых комплексов, связанных с мембранами. Известно несколько различных типов межклеточных контактов, каждый из которых выполняет специфическую роль в сообщении клеток между собой.
Белки, образующие щелевые контакты, дают возможность клеткам непосредственно сообщаться друг с другом, образуя каналы, через которые происходит обмен малыми цитоплазматическими молекулами. Белки, формирующие плотные контакты, служат селективным барьером, который регулирует прохождение молекул через слой клеток и препятствует диффузии белков в плазматической мембране. Адгезивные контакты и десмосомы формируют механическую устойчивость, связывая цитоскелет контактирующих клеток, в результате чего слой клеток может функционировать как единое целое. Эти контакты могут служить передатчиками сигналов, переводя изменения клеточной поверхности в биохимические сигналы, которые распространяются по клетке.
Схемы строения межклеточных контактов эпителиальных клеток (слева),
контактных адгезивных комплексов клеток неэпителиального происхождения (справа) и комплексов клеток с внеклеточным матриксом (внизу).
Показаны также основные классы компонентов внеклеточного матрикса (ВКМ).
Читайте также: Кровь в тканях плаценты
Известны также различные типы белков, которые участвуют в бесконтактном взаимодействии клеток. К таким белкам относятся интегрины, кадерины, селектины и родственные иммуноглобулинам молекулы, обеспечивающие адгезию клеток.
Все клетки, даже самые примитивные одноклеточные организмы, обладают функциями узнавания внешнего окружения и взаимодействия с ним. Даже до появления клеточных сообществ клетки должны были прикрепляться к поверхности и перемещаться по ней. Таким образом, адгезивные структуры клеточного матрикса сформировались рано в эволюции. Как показано на рисунке ниже, у многоклеточных организмов пространство между клетками заполнено плотной структурой, состоящей из белков и сахаров, которая называется внеклеточным матриксом. Внеклеточный матрикс организован в виде волокон, слоев и пленочных структур.
В некоторых тканях внеклеточный матрикс находится в виде сложных слоев, которые называются базальной ламиной и непосредственно контактируют с клетками. Белки, входящие в состав внеклеточного матрикса, бывают двух типов: структурные гликопротеины, например коллаген и эластин, и протеогликаны. Эти белки придают тканям прочность и эластичность, а также служат селективным фильтром, контролирующим поток нерастворимых компонентов между клетками. Протеогликаны проявляют гидрофильные свойства и поддерживают между клетками водное окружение. Когда клетки мигрируют, внеклеточный матрикс функционирует как опорная структура, обеспечивающая их передвижение.
Клетки секретируют компоненты внеклеточного матрикса. Они сами образуют эту наружную опорную систему, и при необходимости могут изменять ее форму за счет деградации и замены окружающих участков матрикса. В настоящий момент вопросы контроля сборки и деградации внеклеточного матрикса представляют существенный интерес, поскольку они играют важную роль в развитии многоклеточных организмов, в заживлении ран, а также в образовании злокачественных опухолей.
Контакты клеток с внеклеточным матриксом образуются за счет рецепторных белков клеточной поверхности, которые, собираясь вместе, формируют на поверхности клеток структуры типа островков (patch) и которые связывают внеклеточный матрикс, расположенный с наружной стороны плазматической мембраны с цитоскелетом со стороны цитозоля. Так же как в случае некоторых межклеточных контактов, некоторые из этих белков образуют упорядоченные комплексы, соединяющие клеточную поверхность с цитоскелетом. Эти белки обладают гораздо более широкими функциями, чем просто «клеточные присоски»; они также участвуют во многих процессах передачи сигналов и обеспечивают клеткам возможность сообщаться друг с другом.
Различные клетки вместе со своим внеклеточным матриксом формируют ткани, для которых характерна высокая степень специализации. Хрящевая, костная и другие виды соединительной ткани могут противостоять сильной механической нагрузке, в то время как другие, например ткань, формирующая легкие, не отличаются прочностью, однако являются высокоэластичными. Баланс между прочностью, эластичностью и трехмерной структурой тщательно регулируется, и компоненты каждой ткани выполняют свои функции во взаимодействии друг с другом. Таким образом, организация и состав ткани соответствуют функции, выполняемой органом; например, мышцы совершенно отличаются от кожи, и слава Богу!
Межклеточные контакты и прикрепление клеток к матриксу не ограничены только клеточной поверхностью. Во многих случаях белки должны быть заякорены в мембране достаточно сильно для того, чтобы противостоять механическим усилиям. Для этого требуется их связывание с цитоскелетом, что в основном обеспечивает клетке структурную поддержку. Наличие цитоскелета также предотвращает латеральное смещение рецепторов в плоскости мембраны, «удерживая» их на своих местах. Наряду с этим, процессы передачи сигнала регулируют сборку межклеточных контактов и поддерживают их. Цитоскелет и сигнальные механизмы играют существенную роль в клеточной адгезии.
Последующие статьи на сайте подразделяется на темы, которые посвящаются рассмотрению основных классов молекул внеклеточного матрикса, таких представителей группы его рецепторов, как интегрины, роли этих рецепторов в процессах развития, а также структуре и функциям наиболее распространенных типов клеточных контактов.
На электронных микрофотографиях видно, что межклеточное пространство заполнено волокнистым материалом.
На фотографиях видны коллагеновые фиблиллы в межклеточном пространстве между фибробластами в соединительной ткани (слева) и в роговице глаза (справа).
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Читайте также: Ткань люрекс сыпется или нет
Внеклеточные структуры в тканях
• Исследования внеклеточного матрикса и межклеточных контактов миновали четыре исторических этапа. Для каждого этапа была характерна определенная стадия технического прогресса, которая позволяла все более детальное изучение этих структур.
• Современные исследования в этой области направлены на выяснение вопроса, каким образом белки внеклеточного матрикса и межклеточные контакты управляют поведением клеток
Подобно другим разделам клеточной биологии, исследования внеклеточного матрикса и межклеточных контактов прошли через четыре исторических этапа. Первый этап начался в середине XVII в. и был связан с изобретением микроскопа, с помощью которого можно было наблюдать отдельные клетки. По мере разработки все более изощренных методов, позволяющих видеть субклеточные структуры, исследователи пришли к выводу о сложном строении поверхности и содержимого клетки.
Одновременно с развитием клеточной теории биологи начали понимать, насколько важную роль играют клетки в развитии сложных организмов. Стало возможным оценить на структурном уровне невероятную вариабельность форм, размеров и способов организации клеток в ткани. В середине XIX в. оформилась новая область биологии — гистология. Задачей гистологии стало исследование мельчайших структур (часто называемых ультраструктурами), составляющих ткани многоклеточных организмов.
Однако в картине, описывающей архитектуру ткани, отсутствовала одна деталь. Что находится в межклеточном пространстве? Главным образом изучали те структуры, которые можно было наблюдать с помощью микроскопа. Структурам, невидимым в микроскоп, уделяли меньше внимания. Под обычным, световым микроскопом, межклеточное пространство в большинстве тканей выглядело довольно слабо прокрашенным и имело аморфную структуру. В ранних гистологических описаниях о нем вообще нет упоминаний.
Вторая стадия началась в середине XX в., с появлением мощных световых и электронных микроскопов. При анализе в световом микроскопе препаратов тканей, окрашенных гистологическими красителями, было обнаружено, что внеклеточное пространство заполнено жидкой средой. В электронном микроскопе в этом пространстве была заметна сеть, состоящая из структурного материала. Более того, стало ясно, что на поверхности клеток формируются специальные контакты, которые взаимодействуют с этим материалом и друг с другом.
Наконец признали, что ткани состоят из клеток, жидкой среды и этого внеклеточного материала. Этой группе структурных материалов было дано название: внеклеточный матрикс. Однако с помощью микроскопа было невозможно рассмотреть отдельные компоненты внеклеточного матрикса.
Начало третьей стадии пришлось на 1970-е гг., когда было разработано много новых методов, позволяющих фракционировать, выделять и характеризовать отдельные компоненты клетки. По мере использования новых методов биохимии, генетики, молекулярной биологии и микроскопии, клеточная биология начала быстро развиваться. Например, разработка экспресс-методов секвенирования ДНК позволила исследователям секвенировать полностью геном у нескольких организмов. Таким образом, вероятно, что вскоре мы сможем идентифицировать у них каждый ген.
Используя эти методы для идентификации сотен белков, входящих во внеклеточный матрикс и составляющих межклеточные контакты, мы сталкиваемся со следующим важным вопросом: каковы функции этих белков? В настоящее время считается общепризнанным, что внеклеточный матрикс играет критическую роль не только в формировании трехмерной организации тканей, но также контролирует рост, подвижность, дифференцировку и взаимодействие входящих в них клеток.
Более того, эти функции регулируются контактами, посредством которых клетки соединяются друг с другом и с внеклеточным матриксом. В настоящее время основные усилия исследователей в этой области направлены на выяснение молекулярных механизмов, обеспечивающих эти функции, что составляет четвертый этап исследований внеклеточного матрикса и межклеточных контактов. В данной главе мы обсудим основные подходы, позволяющие разобраться в этих механизмах.
Процедура окрашивания красителями позволяет гистологам визуализировать особенности клеток в тканевых препаратах.
На фотографии представлен препарат эпителия, окрашенный гистологическими красителями для выявления формы и расположения клеток в эпителиальном слое. На электронных микрофотографиях видно, что межклеточное пространство заполнено волокнистым материалом.
На фотографиях видны коллагеновые фиблиллы в межклеточном пространстве между фибробластами в соединительной ткани (слева) и в роговице глаза (справа).
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом