Ученые Сколтеха и их коллеги из Германии и США обнаружили новые структуры в клетках печени, отвечающие за формирование и регулирование просвета между гепатоцитами. Авторы исследования, опубликованного в Journal of Cell Biology, также установили белок, необходимый для формирования этих ранее неизвестных «перемычек», похожих на переборки судна.
Иллюстрация 3 из исследования. Изображение a: разветвление желчного канальца между тремя клетками (электронная микроскопия продольного среза дифференцированных гепатоцитов in vitro; GG — гранулы гликогена). На изображении b — увеличенная версия прямоугольного участка из a, на изображениях c и d — увеличенные участки из b. Изображение f — модель желчного канальца с периодическими похожими на переборки сросшимися участками клеточных мембран (см. наконечники стрелок) в просвете. Источник: © 2021 Belicova et al. Originally published in Journal of Cell Biology. https://doi.org/10.1083/jcb.202103002
В организме человека есть множество поверхностей, покрытых эпителиальными клетками. При этом в сосудах или кишечнике клетки повернуты внутрь канала так называемыми апикальными участками мембраны, из которых и складывается внутренняя поверхность «трубки». Однако гепатоциты — самые распространенные клетки печени — в этом смысле ведут себя иначе: они формируют полости попарно, объединяясь лишь с клетками непосредственно по соседству. В результате образуется разветвленная трехмерная сеть из очень узких просветов.
До сих пор не было понятно, что стоит за этой особенностью гепатоцитов. При этом клетки печени другого типа, холангиоциты, образуют каналы гораздо большего диаметра и делают это по той же схеме, что и обычные эпителиальные клетки. И хотя ученые подозревали, что форма просвета между гепатоцитами и образование ими сетей объясняются детерминированным локальным механическим взаимодействием между клетками, эта гипотеза прежде носила общий характер и не подкреплялась экспериментальными данными.
Апикальные перемычки
Ученые из Института молекулярно-клеточной биологии и генетики им. Макса Планка во главе с Марино Зериалом совместно с группой исследователей Сколтеха под руководством доцента Тимофея Зацепина и специалистами других организаций обнаружили на апикальной поверхности просвета между гепатоцитами выросты, которые образуют внутри канала структуры, напоминающие по форме переборки — ребра жесткости в корпусе судна. Исследовав их с помощью электронного микроскопа, ученые показали, что узость просвета и сложность сети желчных канальцев обусловлены именно наличием этих структур.
Обе структуры — и рукотворные переборки между бортами судна, и их естественный аналог в просвете между гепатоцитами — служат обеспечению жесткости «конструкции». Только переборки делят корпус судна на отсеки, а апикальные перемычки оставляют канал непрерывным.
Чтобы убедиться, что перемычки — не артефакт, привнесенный процедурой наблюдения за культурой клеток, коллектив исследовал эмбриональную печень мыши при помощи электронного микроскопа. Этот эксперимент in vivo подтвердил наличие схожих с переборками судна структур в формирующихся просветах в печени эмбриона. Также было однозначно показано, что перемычки не делят просвет канала на отдельные отсеки. Те же структуры были обнаружены и в печени взрослой мыши. Кроме того, эксперимент in vivo позволил исключить путаницу между перемычками и микроворсинками — ранее изученным образованием на клеточной мембране гепатоцитов.
Генетика образования перемычек
Исследователи рассмотрели ряд белков, которые могут принимать участие в образовании перемычек. Коллектив уделил основное внимание белку Rab35, который прежде никак не связывали со строением просвета между гепатоцитами. Используя методы электронной микроскопии и 3D-моделирование, ученые показали, что при отключении экспрессии гена Rab35 перемычки между гепатоцитами не образуются, а просвет получается таким, как между холангиоцитами.
«Важно отметить, что гепатоцит и холангиоцит имеют общего предшественника — гепатобласт, поэтому это наблюдение позволяет определить Rab35 как непосредственного участника событий. Мы знаем, что белок Rab35 напрямую не управляет формированием перемычек, — рассказывает Тимофей Зацепин. — Он известен как переносчик и, по всей видимости, отвечает за транспортировку внутри клетки какого-то комплекса или комплексов белков, которые, в свою очередь, приводят к образованию перемычек. Поиском этих комплексов мы сейчас и занимаемся — мы хотим полностью изучить механизм, который делает печень такой отличающейся от других органов».
Исследователи предполагают, что обнаруженные ими перемычки важны для дальнейших исследований с возможными приложениями в медицине. «Эти структуры сами по себе очень интересны и красивы. Апикальные перемычки встречаются квазипериодически на расстоянии друг от друга, равном диаметру просвета, что внешне напоминает несущие элементы инженерных конструкций, — поясняет Тимофей Зацепин. — Мы планируем воспользоваться возможностью регулирования этого механизма для исследования работы печени и ее регенерации в условиях ожирения и фиброза печени».
Исследование проводилось с участием специалистов Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), Института молекулярно-клеточной биологии и генетики им. Макса Планка, Института молекулярной генетики им. Макса Планка, Кильского университета им. Кристиана Альбрехта и Йенского университета им. Фридриха Шиллера (Германия), а также МГУ им. М. В. Ломоносова (Россия) и Nelson Laboratories LLC (США).
Иллюстрация 3e из исследования. 3D-реконструкция: цитоплазма двух образующих просвет клеток показана зеленым и синим цветами. Плотные межклеточные соединения (TJ) выделены красным. Источник: © 2021 Belicova et al. Originally published in Journal of Cell Biology. https://doi.org/10.1083/jcb.202103002
*****
Сколтех — негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
