Слизовики і пухлинні клітини знайшли вихід зі складного лабіринту

Британські біологи побудували модель, яка точно пророкує маршрут подорожі клітин лабіринтом. Вони припустили, що клітини створюють навколо себе градієнт речовини-аттрактанта, що дозволяє їм швидше рухатися вперед і направляти наступних за собою сородичів. Такий спосіб руху дозволяє клітинам уникати очевидних тупиків, хоча в деяких випадках вони все ж помиляються. Передбачення моделі вдалося підтвердити на двох типах клітин: слизовиках і мишачій пухлині, а значить, виявлений механізм навігації може виявитися спільним для будь-яких рухомих клітин. Стаття опублікована в журналі.

Безліч клітин у тваринному організмі здатні подорожувати: це не тільки імунні та пухлинні клітини, але також мешканці сполучних тканин і деякі стовбурові клітини, а ще представники різних тканин, які розповзаються по всьому організму в ході зародкового розвитку. Вважається, що в основі спрямованого руху лежить хемотаксис: рецептори на мембрані зв'язуються з речовиною-аттрактантом і посилають сигнал всередину клітини, під дією якої цитоскелет перебудовується в необхідний бік.

Однак для того, щоб такий механізм спрацював, потрібно, щоб клітина «відчула» різницю між концентрацією аттрактанта на своїх кінцях, і щоб ця різниця трималася в певних межах. Тому розпізнати градієнт клітинам зазвичай вдається тільки в межах 0,5-1 міліметра від джерела. А значить, таким хемотаксисом неможливо пояснити переміщення клітин на довгі відстані, на зразок метастазування пухлин або подорожі зародкових клітин, які знаходять свою дорогу до нового органу всередині ембріона.

Група дослідників під керівництвом Роберта Інсола (Robert Insall) з Університету Глазго звернула увагу на те, що клітини і самі можуть створювати градієнт аттрактанта - якщо розщеплюють його на одному з кінців. Вчені побудували модель того, як ця здатність буде впливати на пересування клітин в середовищі, і перевірили свої припущення на слизовику - організмі, який здатний розпадатися на окремі повзаючі клітини. Експеримент підтвердив передбачення моделі: у випадку, коли клітини самі створювали собі градієнт, вони повзли до умовної мети помітно активніше, ніж коли градієнт підказували їм експериментатори.

З урахуванням цієї здатності клітин, а також дифузії аттрактанта в середовищі, вони спробували побудувати модель, яка передбачала б шлях клітин по лабіринту в бік цілі - резервуара, повного аттрактанта. Відповідно до цієї моделі, якщо клітини стикаються з розвилкою, вони будуть рівномірно розподілятися по двох дорогах. Це пов'язано з виснаженням середовища: як тільки в одній гілці лабіринту клітин стане більше, градієнт там «розмиється», і друга гілка стане більш привабливою для новоприбулих. Цей же принцип, за підрахунками вчених, повинен допомогти клітинам уникати глухих кутів: у глухому куті кількість клітин швидко зростає, а концентрація аттрактанта різко падає, оскільки клітини його пов'язують і розщеплюють. Так, повзучі слідом клітини не зайдуть у глухий кут. З цього випливає, що чим довший глухий кут, тим більше клітин забредуть туди помилково. А також, чим далі, тим менше клітин буде помилятися на користь глухого кута, оскільки аттрактанта там буде залишатися все менше.

У всіх випадках подальший експеримент підтвердив розрахунки дослідників. Клітини дійсно помилялися частіше на початку шляху і в довгих тупиках. Причому це працювало тільки тоді, коли їм давали можливість розщеплювати аттрактант. Якщо ж його модифікували так, щоб розщепити його було не можна, клітини не просувалися лабіринтом.

Свій експеримент вчені повторили на другому типі клітин: пухлинних клітинах підшлункової залози миші. Вони пересувалися набагато повільніше, ніж клітини слизовика (дві доби проти двох годин на один і той же лабіринт), але слідували тим же правилам. Це може означати, що дослідникам вдалося змоделювати не поведінку конкретного організму, а загальні принципи клітинної навігації.

Потім вчені вирішили з'ясувати, як можна обдурити мігруючі клітини. З їхньої моделі випливало, що якщо глухий кут розгалужується, то він буде більш привабливий для клітин, оскільки в ньому довше не закінчується аттрактант, і перетвориться на хемоатракторний «міраж». Також вони розрахували, що міражі тим сильніше, ніж коротше до них дорога (і у клітин є менше часу, щоб «обміркувати» своє рішення), і чим вона коротше порівняно з дорогою до справжньої мети.

В якості остаточної перевірки своїх висновків дослідники побудували пару з простого і складного лабіринтів: у першому випадку модель передбачала, що клітини зроблять правильний вибір, у другому - що будуть помилятися (через велику кількість гілкових тупиків). І реальні клітини в черговий раз виправдали очікування: у простих лабіринтах вони рухалися переважно правильним шляхом, залишивши великі частини лабіринту без уваги. У складних лабіринтах клітини ретельно досліджували всі закутки, тобто зробили всі помилки, на які їх спровокували експериментатори.

Таким чином, дослідникам вдалося передбачити вибір, який здійснюють клітини, коли пересуваються за допомогою хемотаксису. Виявлений механізм в даному випадку відрізняється від тих, що виявляли раніше у інших слизовиків: ті рухалися одночасно у всіх можливих напрямках, а потім заповнювали неокуплені гілки.

Судячи з того, що нові принципи виявилися загальними для слизовиків і тварин клітин (пухлинних), вони можуть відображати ключові правила поведінки для всіх рухомих клітин взагалі. Так чи інакше, автори роботи відзначають, що важливо звернути увагу не тільки на ті експерименти, де клітини рухалися «логічно», але і на ті, де вони робили помилки, оскільки саме з їх допомогою є шанс пояснити незвичайну поведінку рухомих клітин, наприклад, імунних або пухлинних, в організмі людини.

Раніше вчені виявили у слизовиків здатність перетерпіти присутність неприємної речовини (кофеїну) і зробити оптимальний вибір у грі. А астрономи запропонували використовувати поведінку слизовиків для пошуку ниток космічної павутини.