Молекулярная биология клетки - Том 3 - Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. 1994
От клеток к многоклеточным организмам
Поддержание нормальной организации тканей
Фибробласты и их превращения: семейство соединительнотканных клеток
Многие дифференцированные клетки взрослого организма можно объединить в семейства, принадлежность к которым определяется происхождением и свойствами клеток. Важный пример - семейство соединительнотканных клеток; члены его не только родственны, но и в необычной степени способны к взаимным превращениям. В это семейство входят фибробласты, хрящевые клетки и костные клетки. Все они специализированы для секреции межклеточного матрикса, содержащего коллаген, и совместно образуют «архитектурный каркас» тела вместе с жировыми клетками и клетками гладкой мускулатуры, имеющими, по-видимому, то же происхождение. На рис. 17-40 изображены эти типы клеток и показаны их возможные превращения. Соединительнотканные клетки играют центральную роль как опорные элементы и участники восстановительных процессов почти в каждой ткани и каждом органе; пластичность их дифференцировки имеет большое значение при реакциях на разного рода повреждения.
Рис. 17-40. Взаимные превращения, по-видимому, происходящие внутри семейства соединительнотканных клеток. Для упрощения фибробласты представлены клеткой одного типа, в действительности же существует много типов фибробластов; число их, однако, не установлено, так же как их потенции к дифференцировке.
17.7.1. Фибробласты изменяют свои свойства в ответ на сигналы от межклеточного матрикса [37, 38]
Фибробласты - по-видимому, наименее специализированные клетки в семействе соединительнотканных клеток. В составе соединительной ткани они разбросаны по всему организму и секретируют мягкий внеклеточный матрикс, богатый коллагеном типа I и/или типа III, как это описано в гл. 14 (разд. 14.6.2). В случае повреждения ткани ближние фибробласты мигрируют в рану, размножаются там и образуют большие количества коллагенового матрикса, который помогает изолировать и восстановить поврежденную ткань. Способность этих клеток существовать и действовать в необычных условиях раны наряду с их «одиночным образом жизни» позволяет очень легко выращивать их в культуре, что делает их излюбленным объектом исследований клеточных биологов (рис. 17-41).
Как показано на рис. 17-40, фибробласты - это, видимо, самые пластичные из соединительнотканных клеток: они проявляют удивительную способность дифференцироваться в других представителей того же семейства. Однако, прежде чем углубляться в детали, мы должны предостеречь от слишком поспешных выводов. Есть веские данные в пользу того, что фибробласты в разных частях организма внутренне различны (см. Приложение в конце этой главы); не может быть уверенности даже в том, что в одном участке все фибробласты эквивалентны. Проще всего предположить, что они идентичны, поскольку не доказано, что это не так. Однако вполне возможно, что соединительная ткань содержит смесь различающихся линий фибробластов, из которых одни способны превращаться в хондроциты, другие - в жировые клетки, и т.д.; отсутствие видимых различий не обязательно означает, что существует только один тип фибробластов с множественными потенциями развития. Возможно также, что «зрелые» фибробласты, не способные к трансформации, существуют бок о бок с «незрелыми» (их часто называют мезенхимными клетками), которые могут превращаться в зрелые клетки разного типа.
Несмотря на эти неясности, однако, исследования in vivo и in vitro четко показали, что свойства соединительнотканных клеток могут радикально изменяться. Например, если препарат костного матрикса, полученный размалыванием кости в тонкий порошок и элюированием твердого минерального вещества, имплантировать в дермальный слой кожи, то там некоторые клеточные элементы - возможно, кожные фибробласты - превращаются в хрящевые клетки, а несколько позже другие клетки трансформируются в костные. При этом образуется небольшой кусочек кости, имеющий даже костномозговую полость. Эти результаты позволяют думать, что компоненты внеклеточного матрикса могут сильнейшим образом влиять на дифференцировку соединительно-тканных клеток. Далее мы увидим, что сходные превращения клеток играют важную роль и при срастании костей после переломов. Показано даже, что костный матрикс содержит в себе высокие концентрации нескольких факторов роста, влияющих на поведение соединительнотканных клеток, например TGF-ß (трансформирующий фактор роста (3-см. разд. 13.3.4, табл. 13-1), который, как установлено, индуцирует дифференцировку хряща in vitro.
Рис. 17-41. А. Фазовоконтрастная микрофотография мышиного фибробласта в культуре. Б. Изображения живой фибробластоподобной клетки в прозрачном хвосте головастика; показаны изменения ее формы и положения в течение нескольких дней. Обратите внимание на то, что, хотя в культуре фибробласты распластываются, в тканях они могут иметь более сложную конфигурацию с многочисленными отростками. (А - с любезного разрешения Guenter Albrecht-Buehler; Б - из Е. Clark, Am.J.Anat., 13, 351-379, 1912.)
17.7.2. Внеклеточный матрикс может влиять на дифференцировку соединительнотканных клеток, изменяя их форму и способность к прикреплению [39]
Внеклеточный матрикс может влиять на дифференцированное состояние соединительнотканных клеток как физическим, так и химическим путем. Это было показано в исследованиях на хрящевых клетках (хондроцитах), растущих в культуре. При надлежащих условиях эти клетки размножаются и поддерживают свой дифференцированный статус, синтезируя на протяжении многих клеточных поколений большие количества весьма характерного хрящевого матрикса, которым они сами себя окружают. Однако если культуру вести при относительно низкой плотности клеток в виде монослоя на культуральной чашке, то происходит трансформация: клетки теряют округлую форму, типичную для хондроцитов, распластываются на субстрате и перестают вырабатывать хрящевой матрикс. В частности, они прекращают синтез коллагена типа II, характерного для хряща, а вместо этого начинают производить коллаген типа I, характерный для фибробластов. За месяц существования такой культуры почти все хрящевые клетки переключают экспрессию генов коллагена и приобретают вид фибробластов. Биохимические изменения в клетке должны происходить внезапно, так как лишь в очень немногих клетках отмечается одновременный синтез коллагена обоих типов.
Разного рода экспериментальные данные говорят о том, что биохимические изменения по крайней мере частично индуцируются изменением формы клеток и их прикрепления. Например, хондроциты, претерпевшие трансформацию в фибробластоподобные клетки, можно осторожно отделить от поверхности культуральной чашки и перенести на чашку с агарозой. Образуя гель, агароза удерживает клетки в состоянии суспензии, без прикрепления к субстрату, и это заставляет их принимать округлую форму. В таких условиях клетки вскоре вновь приобретают свойства хондроцитов и начинают синтезировать коллаген типа П. Вопрос о том, каким образом форма клеток и их прикрепление могли бы влиять на экспрессию генов, обсуждается в разд. 13.3.6.
Для большинства клеток, особенно соединительнотканных, возможности прикрепления зависят от окружающего матрикса, который обычно вырабатывают сами клетки. Таким образом, клетка создает себе окружение, которое в свою очередь воздействует на клетку, закрепляя ее дифференцированное состояние. Более того, внеклеточный матрикс, образуемый клеткой, отчасти создает окружение и для соседних с ней клеток, способствуя их дифференцировке в том же направлении. Можно наблюдать, например, как в развивающемся организме или в культуральной чашке увеличивается группа хондроцитов, образующая узелок хряща, в результате превращения находящихся рядом фибробластов в хондроциты.
Рис. 17-42. Превращение фибробластоподобной клетки-предшественника в зрелую жировую клетку в результате накопления и слияния жировых капелек. Как показано стрелками, этот процесс по крайней мере частично обратим. Клетки, находящиеся в начальной или промежуточной стадии, могут делиться, но зрелая жировая клетка к этому не способна.
17.7.3. Различные сигнальные молекулы, действуя последовательно, регулируют образование жировых клеток [40]
Полагают, что жировые клетки, или адипоциты, у млекопитающих тоже развиваются из фибробластоподобных клеток, как в ходе нормального развития, так и при различных патологиях, например при миодистрофии, когда мышечные клетки погибают и постепенно замещаются жировой соединительной тканью. Дифференцировка жировой клетки начинается с образования специфических ферментов; затем происходит накопление жировых капелек, которые в дальнейшем сливаются и увеличиваются в объеме, настолько сильно растягивая клетку, что остается лишь тонкий ободок цитоплазмы вокруг массы жира (рис. 17-42).
Факторы, влияющие на этот процесс, можно исследовать в культуре клеток, используя клеточные линии, например некоторые штаммы мышиных клеток ЗТЗ. Вначале было обнаружено, что для развития жировых клеток в культуре необходимо присутствие сыворотки плода коровы - обычного компонента культуральной среды. Главный фактор сыворотки, запускающий дифференцировку жировой клетки, позднее был идентифицирован как гормон роста - белок, в норме выделяемый в кровяное русло гипофизом. Получены данные, что этот гормон стимулирует дифференцировку не только жировых клеток, но и хондроцитов, и оказывает такое действие как in vitro, так и in vivo. Но гормон роста - это не единственная секретируемая сигнальная молекула, регулирующая развитие жировых клеток. Предшественники жировых клеток, стимулированные гормоном роста, становятся чувствительными к IGF1 (инсулиноподобный фактор роста 1), который побуждает дифференцирующиеся жировые клетки к пролиферации.
На дифференцировку жировых клеток, так же как и хондроцитов, влияют факторы, изменяющие их форму и прикрепление. Например, дифференцировка клеток ЗТЗ в жировые клетки подавляется, если у них есть возможность распластаться на поверхности культуральной чашки, покрытой фибронектином, к которому они прочно прилипают. Однако это подавление можно снять с помощью цитохалазина, так как он разрушает актиновые нити и в результате клетки округляются.
Все эти эксперименты на клетках соединительной ткани иллюстрируют общее положение: дифференцировку регулирует совместное действие растворимых сигнальных веществ и контактов с внеклеточным матриксом. Эффект каждого фактора зависит от свойств реагирующей клетки, которые в свою очередь зависят от предыстории развития данной клетки.
Заключение
В семейство соединительнотканных клеток входят наряду с фибробластами хрящевые, костные, жировые и гладко мышечные клетки. Фибробласты, по-видимому, способны превращаться во все другие клетки этого семейства, и в некоторых случаях это превращение обратимо. Пока не ясно, присуще ли это свойство одному типу фибробластов, которые плюрипотентны, или же речь идет о смеси различных фибробластов с более узкими потенциями. Превращения соединительнотканных клеток регулируются составом окружающего внеклеточного матрикса, формой клеток, гормонами и факторами роста.