ЭПИТЕЛИАЛЬНЫЕ И ЭНДОТЕЛИАЛЬНЫЕ КЛЕТКИ

Эпителиальные клетки выполняют в организме разнообразные функции. Они образуют прочное водонепроницаемое покрытие на поверхности кожи, выстилают эластичным адсорбирующим слоем кишечник, формируют различные железы. В свете такого многообразия функций было бы удивительно, если бы оказалось, что все эпителиальные клетки имеют одинаковый цитоскелет. И действительно, как среди мышц разных типов мы видим прогрессирующую специализацию и расширение одной и той же цитоскелетной системы — волокон натяжения, точно так же и разные типы эпителиальных клеток могут быть в целом охарактеризованы степенью развитости в них одного или двух определенных компонентов цитоскелета: сети промежуточных филаментов и кортикальной системы микрофиламентов.

В некоторых отношениях клетки эпителия напоминают фибробласты. По мере их распластывания на субстрате между ними и поверхностью субстрата формируются фокальные контакты. Эти контакты обогащены а-актинином, и, как и в фибробластах, на них оканчиваются пучки микрофиламентов. Однако общая картина распределения пучков и фокальных контактов в эпителиальных клетках не такая, как у фибробластов: пучки в эпителиальных клетках короче, а фокальные контакты располагаются в основном вдоль клеточного края и не так легко разрушаются.

Детальное строение волокон натяжения в эпителии наследовалось методом иммунофлуоресценции. Эти исследования показали, что у клеток эпителия, так же как у фибробластов, и межклеточные контакты, и участки прикрепления клеток к субстрату, и точки схождения волокон натяжения содержат а-актинин. Тропомиозин и а-актинин располагаются с некоторой периодичностью вдоль волокон натяжения, причем в эпителиальных клетках более тесно, чем в фибробластах. Прерывистость расположения вдоль волокон натяжения характерна и для миозина. Распределение миозина в клетке, как и распределение актина, зависит от ее функционального состояния. Во время распластывания в выпячиваниях поверхности клетки и складках клеточного края виден один актин, а у основания этих структур — актин вместе с миозином. Чем сильнее распластаны и менее подвижны эпителиальные клетки, тем меньше актина и миозина обнаруживается вне волокон натяжения.

Эпителиальные клетки обладают развитой системой микротрубочек, которые, как и у фибробластов, нередко контактируют с различными органеллами. От микротрубочек отходят нити диаметром 2—4 нм, многие из которых оканчиваются на пигментных гранулах и других структурах. При попытке отделить от сети микротрубочек связанные с ней гранулы результат зачастую достигается лишь после существенного разрушения клетки. Для одного типа эпителиальных клеток была определена в интерфазе полярность микротрубочек. Оказалось, что у всех микротрубочек быстрорастущим является их дистальный конец. Какое значение имеет этот факт для транспорта частиц одновременно в двух направлениях — от центра и к центру клетки, мы обсудим позднее.

Третья основная фибриллярная система — сеть промежуточных филаментов — в эпителии наиболее разнообразна и наиболее специализирована. Характерной чертой эпителиальных клеток является присутствие цитокератинов, из которых и построены их промежуточные филаменты. По молекулярной массе и типу внутриклеточного распределения цитокератины можно разделить по меньшей мере на семь основных классов. Цитокератиновые полипептиды — продукты разных генов, различия между ними не могут быть сведены к различиям в их процессинге. До сих пор не найдено таких эпителиальных клеток, которые содержали бы цитокератины лишь одного класса: у всех имеется по меньшей мере два разных цитокератина, а у многих и больше. Набор цитокератинов, присутствующих в клетках, зависит от типа клеток, условий их роста, а также от стадии гистогенеза. Из всех промежуточных филаментов первыми были обнаружены именно цитокератиновые филаменты, благодаря тому что они есть в трофэктодерме эмбрионов. Дифференцировке эпителия in vivo сопутствует специализация набора цитокератинов. Так, кератины с мол. массой 50 и 58 кДа имеются только в многослойном эпителии, а кератины с мол. массой 56,5 и 65—67 кДа — лишь в кератинизированном эпидермисе. В то же время кератины с мол. массой 40, 46 и 52 кДа встречаются в различных типах эпителия. Набор кератинов может быть неодинаковым даже у близко расположенных субпопуляций эпителиальных клеток. Например, у эпителия наружного корневого влагалища в волосяном фолликуле есть три общих кератнновых полипептида с межфолликулярным эпидермисом, однако нет трех других полипептидов последнего кроме того, в нем имеется цитокератин с мол. массой 46 кДа, отсутствующий в межфолликулярном эпидермисе. Три особых цитокератина есть и в потовых железах, находящихся в непосредственной близости и от самих волосяных фолликулов, и от эпидермиса между ними. Таким образом, кожа состоит из множества микрообластей, различающихся как по морфологии, так и по характеристикам цитоскелета.

Набор цитокератинов варьирует в зависимости от условий, в которых культивируются клетки. Клонированные линии клеток эпителия молочной железы способны расти как в присутствии, так и в отсутствие гормонов. При росте в среде с соответствующими гормонами эти клетки образуют не очень плотный монослой, межклеточное пространство в котором пронизывают десмосомальные мостики; цитокератиновые волокна, образуя сеть анастомозирующих пучков, тянутся по всему внутриклеточному пространству и оканчиваются на десмосомах. В культивируемых в присутствии гормонов клетках синтезируются те же четыре основных цитокератина, что и клетках in situ, и не синтезируется виментин. В том случае, когда клетки растят в среде, не содержащей гормонов, у них меняются набор экспрессируемых цитокератинов и морфология (десмосомы при этом по-прежнему образуются) и начинается синтез виментина. Последнее наблюдение проливает свет на тот факт, что две известные линии эпителиальных клеток, HeLa и PtK, содержат и цитокератиновые, и виментиновые филаменты. В клетках этих линий, как и в культивируемых клетках эпителия молочной железы, виментиновые и цитокератиновые волокна переплетаются и анастомозируют друг с другом, но все же их расположение не совпадает. Эти клетки продолжают образовывать десмосомы, хотя и в меньшем количестве. После обработки этих клеток колхицином (для разборки микротрубочек) виментиновые филаменты образуют в них характерную структуру, охватывающую ядро, тогда как сеть кератиновых филаментов, хотя и несколько разрушенная, по-прежнему простирается по всей цитоплазме и прикрепляется к десмосомам; это может служить еще одним доказательством того, что сополимеризации двух типов белков промежуточных филаментов в рассматриваемых клетках не происходит. Таким образом, присутствие цитокератинов является признаком, который может быть использован для идентификации эпителия; каждому виду эпителиальных клеток, характеризующемуся определенной функцией и локализацией, присущ и характерный набор цитокератиновых полипептидов.

Еще один основной тип цитоскелетных структур, в большей или меньшей степени свойственный эпителиальным клеткам, является продуктом дальнейшего развития и специализации кортикальной актиновой сети и связан с микроворсинками. Классический источник материала для исследования этого типа структур — кишечный эпителий, адсорбирующий питательные вещества и придающий механическую прочность стенке кишечника. На обращенной в просвет кишечника поверхности клеток кишечного эпителия располагаются многочисленные микроворсинки, прикрепленные к так называемой терминальной сети. Сердцевину микроворсинки составляет актиновый пучок приблизительно из 20 филаментов, соединенных поперечными сшивками друг с другом и с мембраной микроворсинки. Дистальный конец пучка актиновых филаментов кепирован, а своим проксимальным концом пучок проникает в терминальную сеть клетки. Структурными компонентами сердцевины микроворсинок служат, помино актина, виллин (мол. масса 95 кДа) и фимбрин (мол. масса 68 кДа), сшивающие актиновые филаменты друг с другом, а также кальмодулин-связывающий белок с мол. массой 110 кДа, который, вероятно, сшивает пучок филаментов с мембраной.

Пучки микрофиламентов выходят из микроворсинок в терминальную сеть и прикрепляются к ней. Эта сеть состоит из филаментов, содержащих актин и тропомиозин, коротких толстых филаментов, образованных миозином, и тонких филаментов, содержащих белок из семейства спектрина. Этот спектриноподобный белок, получивший первоначально название TW260/240, имеет ту-же а-субъединицу, что и собственно спектрин, однако Другая его субъединица (мол. масса 260 кДа) не особенно похожа на p-спектрин. ap-Димеры формируют тонкие, диаметром ~5 нм, нити, связывающие «корешки» актиновых пучков друг с другом и с плазматической мембраной. Еще один фибриллярный компонент терминальной сети — это переплетающиеся и анастомозирующие 10-нанометровые кератиновые филаменты, которые оканчиваются на десмосомах, расположенных вдоль боковых сторон клеток.

Описанная двойственность организации кортикальной актиновой сети свойственна не только клеткам кишечного эпителия. Еще один тип эпителиальных клеток, в которых с подмембранной сетью сочетаются «полуостровные» актиновые пучки, — это волосковые клетки улитки уха, от поверхности которых отходят так называемые стереодилии. Каждая стереодилия содержит сужающийся пучок актиновых филаментов, связанных поперечными мостиками друг с другом и клеточной мембраной. Некоторые из этих филаментов, выступая своими концами в основную часть клетки, образуют «корешки», которые прикрепляются к подмембранной сети, состоящей из актиновых микрофиламентов и тонких нитей диаметром 3— 4 нм. Белок тонких нитей относится, вероятно, к семейству спектрина. Громкий звук вызывает в строении стереоцилий изменения, заключающиеся, по-видимому, в деполимеризации или фрагментации актиновых филаментов у основания стереоцилии — там, где филаменты выходят в кортикальную сеть, — ив снижении числа поперечных мостиков между актиновыми филаментами следствием таких изменений является уменьшение жесткости структуры стереоцилий.

Анализ характера упаковки филаментов в стереоцилиях привел к более глубокому пониманию факторов, определяющих сборку спиральных структур. На продольных срезах стереоцилий ясно видно, что актиновые филаменты в каждой стереоцилии расположены строго координированно, «в фазе» друг с другом. В то же время на поперечных срезах упаковка филаментов выглядит менее жесткой. Причина нерегулярности в поперечной плоскости заключается в том, что спиральная структура имеет большое число эквивалентных связывающих участков. После образования какого-либо поперечного мостика место формирования следующего не фиксировано, напротив, для него существует несколько потенциальных участков связывания, и потому, за исключением систем с очень большим количеством мостиков, точное расположение мостиков предсказать нельзя. Образование всех возможных поперечных мостиков приводит к паракристаллической гексагональной упаковке филаментов. У животных степень упорядоченности упаковки изменяется по мере развития особи: на ранних стадиях филаменты расположены неупорядоченно, на более поздних стадиях чаще наблюдается их гексагональное расположение. Существенно то, что неупорядоченность упаковки актиновых филаментов обусловлена исключительно их спиральностью. Вариабельность путей сборки характерна и для всех других спиральных структур, включая микротрубочки и промежуточные филаменты. Они имеют множество эквивалентных участков связывания формирующихся поперечных мостиков; вследствие этого их упаковку нельзя предсказать в деталях, и она описывается лишь статистически.

Несколько более сложный пример «полуостровной» структуры, поддерживаемой кортикальной сетью, демонстрирует эпителий сетчатки. Внутренний и наружный сегменты палочек — отростков фоторецепторных клеток — содержат и микротрубочки, и микрофиламенты. По мере изменения условий освещения длина микрофиламентов изменяется. В состав цитоскелета наружных и внутренних сегментов палочек входят несколько кальмодулин-связывающих белков, один из которых, по-видимому, является а-спектрином. Палочка прикреплена к телу клетки посредством поперечных сшивок с сетью промежуточных филаментов, переплетающихся с мощными кольцевыми пучками микрофиламентов. Эта сеть, вероятно, содержит миозин, поскольку фрагменты ее, выделенные из клеток, в присутствии АТР сокращаются и сокращение подавляется модифицированным миозином.

Эпителиальные клетки участвуют в формировании желез. Строение цитоскелета в клетках желез пока изучено недостаточно хорошо. Примером секреторного эпителия, уже отчасти охарактеризованного, могут служить клетки печени крысы, в которых найдены многочисленные поперечные мостики между филаментами из р- и 7-актинов и цитокератиновыми филаментами. Указанные формы актина обнаруживаются вместе с десмосомами во фракции плазматических мембран.

Так как эпителиальные клетки обладают высокоорганизованным, характерным цитоскелетом, их часто используют в качестве объекта при разработке новых методов выявления цитоскелетных структур. Интактные клетки PtK были исследованы методом высоковольтной электронной микроскопии с предварительным высушиванием в замороженном состоянии или замещением в замороженном состоянии. В целом замороженные клетки выглядели под микроскопом примерно так же, как и клетки, фиксированные обычными методами. В обоих случаях были видны многочисленные микротрабекулы, которые формировали анастомозы, ветвились, контактировали в цитоплазме с разнообразными фибриллярными элементами, а также прикреплялись к различным органеллам. Картина оставалась достаточно сложной и после кратковременной экстракции клеток бриджем (прямые биохимические данные о полноте такой экстракции отсутствуют). Несколько менее сложная картина наблюдается в том случае, когда для предотвращения осмотического шока в экстрагирующий раствор вводят сахарозу. В препаратах, полученных без сахарозы, от цитоскелета остаются в основном лишь «голые» филаменты, многие из которых до некоторой степени разрушены. Другой путь состоит в том, чтобы фиксировать клетки смесью глутарового альдегида, таниновой кислоты и сапонина. Такая смесь, по-видимому, обеспечивает частичную экстракцию цитоплазматических белков во время фиксации и служит для цитоплазматических филаментов протравой, так что фибриллярные структуры становятся лучше видны даже на тонких срезах — преимущество, которое отчасти компенсирует неизбежное при таком способе обработки огрубление деталей структуры. Трудность изучения филаментов на срезах ясно осознается при сравнении методик, включающих и не включающих освобождение образца от материала для заливки. Было предпринято несколько попыток выявить цитоскелетные структуры in situ, используя замороженные срезы интактного эпителия печени. Хотя структура клетки и нарушалась немного из-за образования кристаллов, картина строения десмосомальных мостиков и аиастомозирующих филаментов вполне соответствовала той, которая наблюдалась при изучении строения этих цитоскелетных образований в культивируемых клетках.

Эпителиальные клетки различаются по степени развития цитоскелетных систем — сети промежуточных филаментов и кортикальной актиновой сети. Почему цитокератиновая сеть в этих клетках состоит как минимум из двух белков, до сих пор непонятно. Остается неясным и то, действительно ли миозин, столь часто обнаруживающийся в актиновой сети эпителиальных клеток, осуществляет сокращение in vivo или он просто поддерживает изометрическое натяжение.

Эндотелиальные клетки, подобно клеткам эпителия, образуют слои. Однако функции этих двух типов клеток, равно как и физические условия, в которых эти клетки находятся вследствие определенной локализации в, организме, довольно сильно различаются, что обусловливает существование значительных различий и между их цитоскелетами. Самое разительное отличие цитоскелета эндотелиальных клеток от цитоскелета эпителиальных клеток состоит в том, что в эндотелии промежуточные филаменты построены исключительно из виментина. В культивируемых эндотелиальных клетках нередко имеются волокна натяжения, содержащие нормальный набор ассоциированных белков. В клетках in situ, однако, актии располагается преимущественно на периферии, в виде диффузной сети; волокна натяжения обнаруживаются лишь в эндотелии определенных участков артерий — по-видимому, там, где клетки подвергаются максимальному механическому воздействию. Волокна натяжения появляются в клетках также при регенерации эндотелия. Когда клетки распластываются и начинают перемещаться, чтобы заполнить область нарушения целостности эндотелиального покрова, в них формируется большое количество волокон натяжения, ориентированных в направлении раны, пo мере заживления раны волокна натяжения ориентируются в соответствии с направлением тока крови; они долго сохраняются и после того, как вся обнажившаяся при повреждении базальная мембрана будет покрыта эндотелием.

Процесс распластывания эндотелиальных клеток напоминает распластывание фибробластов и эпителиальных клеток. В фазе начального прикрепления на поверхности клетки образуются филоподии, которые «исследуют» окружающее пространство. Собственно распластывание происходит после того, как большая часть клеточной поверхности окажется в контакте с субстратом. Когда клетка распластается достаточно сильно, микрофиламенты объединяются и формируют волокна натяжения, а микротрубочки распространяются от центра клетки в радиальном направлении. Как только система микротрубочек становится достаточно развитой и микротрубочки оказываются способны к латеральным взаимодействиям, вдоль них начинается радиальное движение различных органелл. Впоследствии радиальная связь между органеллами и микротрубочками становится менее явной, из-за того что распределение микротрубочек в клетке делается более равномерным. К обсуждению вопроса о структурной основе внутриклеточного движения мы еще вернемся позднее.

Похожие материалы:

Трансформированные клетки

Протисты

Вещества действующие на цитоскелет

Регуляция формы и движения клетки


   
© Медицинские науки. Перепечатка материалов сайта без действующей обратной ссылки запрещена!