Каждый день миллиарды наших клеток умирают, а на их место приходят новые, здоровые.
Считается, что в здоровом кишечнике, как и в большинстве тканей, тип клеточной смерти, называемый апоптозом, почти полностью опосредует этот процесс самостоятельно. Но исследователи из RIKEN в Кобе, Япония, подозревают, что они обнаружили новый вид клеточной смерти в кишечнике плодовой мушки. Новый процесс, который они называют эребозом или "кромешной тьмой", может присутствовать и в других тканях и если он будет обнаружен у людей, это может повлиять на наше понимание заболеваний желудочно-кишечного тракта.
Мария Домингес Кастеллано, нейробиолог из Института нейронаук в Аликанте, Испания, которая не принимала участия в исследовании, говорит, что она нашла статью "очень интригующей" и надеется, что исследователи расскажут больше о новой предполагаемой форме клеточной смерти. "Они проделали огромную работу, но ... [эребоз] явно существует, и это так интригует, что хочется продолжения".
Случайное открытие альтернативы апоптозу
"Догматическая идея заключается в том, что апоптоз участвует в обороте энтероцитов", - объясняет соавтор исследования Са Кан Ю, биолог из RIKEN. Он говорит, что эта догма настолько сильна, что поначалу он сопротивлялся мысли о том, что наблюдает новую форму клеточной смерти.
Проект начался несколько лет назад, когда Ю искал фактор, регулирующий системные эффекты рака. Белок под названием Ance - форма рецептора ангиотензина-2 человека, который участвует в регуляции артериального давления и электролитного баланса у людей - был главным кандидатом. Исследователи начали картировать расположение Ance в тканях всего тела плодовой мушки Drosophila melanogaster с помощью антитела, которое маркирует белок зеленым флуоресцентным белком (GFP), и это привело их в кишечник. Их эксперименты по визуализации показали, что некоторые клетки кишечника насыщены Ance, в то время как другие производят очень мало. Заинтригованные, они решили выяснить, почему.
Ю и его команда решили, что они наткнулись на новый тип клеток, сильно экспрессирующих Ance, которые они решили назвать клетками Ance. Эти клетки Ance "были очень странными", - говорит Ю. Когда команда наблюдала за клетками Ance, они увидели, что многие из них начали терять белки, органеллы и важные молекулы, необходимые им для выживания. Производство АТФ замедлилось. Их ядра разбухли, затем сплющились и в конце концов растворились. Клетки также начали терять свой GFP, светясь все менее ярко. Тот факт, что клетки со временем теряли флуоресценцию, дал понять исследователям, что клетки Ance "очень динамичны" и, должно быть, переживают период изменений. Вскоре они пришли к мысли, что клетки, возможно, близки к гибели.
Миллион (или, по крайней мере, три) способов умереть в кишечнике
Все клетки имеют ограниченный срок жизни, и их смерть может наступить несколькими путями. По мере старения и накопления мутаций внутренние или внешние сигналы вызывают апоптоз, который можно представить как организованное самоуничтожение. Клетка сжимается и распадается на дискретные фрагменты, называемые апоптотическими телами, которые затем поглощаются фагоцитами. Реже, поврежденные, испытывающие недостаток кислорода или раковые клетки могут подвергаться некрозу, разбухать и в конечном итоге разрываться, чтобы выплеснуть свое содержимое в организм. Клетки также могут погибнуть в результате аутофагии - процесса, напоминающего самопоглощение, который, как считается, происходит из-за недостатка питательных веществ. При аутофагии клетки растворяют свое внутреннее содержимое через аутофагосомы - большие везикулы, которые расщепляют содержимое клетки.
Авторы нового исследования обнаружили новый тип клеточной смерти в клетках кишечника Drosophila melanogaster, который отличается от других типов клеточной смерти несколькими ключевыми моментами: при апоптозе, наиболее распространенном процессе клеточной смерти, внутренние и внешние сигналы вызывают сокращение тела клетки, органелл и ядра по мере разрушения цитоскелета и ДНК. Клетка распадается на дискретные фрагменты, содержащие части клетки, называемые апоптотическими телами, которые впоследствии поглощаются фагоцитами (не показано).
Некроз происходит, когда ткань повреждена или лишена кислорода. Тело клетки и органеллы расширяются, в результате чего клетка становится проницаемой. Органеллы разрушаются. В конце концов, клетка лизируется и выбрасывает свое содержимое во внеклеточную среду. Во время аутофагии клетка образует аутофагосомы - везикулы, которые сливаются с лизосомами, образуя аутофаголизосомы, которые расщепляют содержимое клетки. Цитоскелет остается нетронутым. Во время эребоза, или "кромешной тьмы", клетка кишечника теряет органеллы. Клетки также теряют важные цитоскелетные белки, а микроворсинки на апикальной поверхности кишечной клетки уменьшаются. Ядро клетки проходит период расширения, затем уплощается и сжимается, в конечном итоге фрагментируясь.
В тот момент Ю и его коллеги все еще пытались объяснить активность клеток Ance в контексте других форм клеточной смерти, особенно апоптоза, поскольку он считается наиболее распространенным фактором быстрого (раз в четыре дня - три недели) обновления тканей кишечника. Они начали искать доказательства того, что клетки Ance вырабатывают маркеры некроза и аутофагии, других, менее распространенных форм клеточной смерти. Но им не удалось найти доказательств того, что происходит хотя бы одна из этих трех форм. Более того, инактивация каспаз (молекул, обычно присутствующих в клетках, подвергающихся апоптозу, которые сигнализируют клеткам о начале разрушения) с помощью микроРНК не остановила клетки от потери органелл, белков или АТФ.
Чтобы выяснить, что происходит, исследователи использовали общий маркер клеточной смерти под названием TUNEL, который маркирует фрагментированную ДНК. TUNEL пометил некоторые клетки Ance, но не другие. Клетки, которые были помечены, имели более низкий сигнал GFP и более плоские ядра, что убедительно свидетельствовало о том, что эти клетки действительно приближаются к концу своей жизни.
Исследователи также проверили, происходит ли этот недавно описанный, связанный с Ance путь к смерти у мутантов дрозофилы, у которых отсутствуют важные белки, связанные с апоптозом, некрозом и аутофагией. Во всех случаях эребоз сохранялся. В целом, полученные ими результаты указывают на один вывод: Ance был маркером клеточной смерти, который никто не описывал ранее, и который они решили назвать эребозом.
Эребоз: больше вопросов, чем ответов
Ю признает, что технически они не доказали, что клетки умирают в результате эребоза, и не проработали многие детали. Хотя они зафиксировали, что эти клетки претерпевают процесс, от которого, похоже, трудно оправиться, они не показали их исчезновение в реальном времени. Они могут оставаться живыми, предполагает Ю, существуя неопределенно долгое время в новом, низком метаболическом состоянии. Кроме того, пока неизвестно, как именно эреботические клетки начинают терять органеллы или разрушать цитоплазматические белки. "Очень трудно доказать, что клетка умирает", - говорит Ю, - "Это почти... философский вопрос". Но без органелл и ядра, говорит Ю, вполне логично, что смерть для этих клеток не за горами. "Пока неясно, как [эребоз] вписывается в гомеостаз... и я хочу знать больше о том, где еще происходит эребоз", - отмечает Домингес.
Если эребоз является механизмом смерти, это может помочь объяснить запутанные результаты других исследований, говорит Андреас Бергманн, биолог из Медицинской школы Массачусетского университета, не участвовавший в исследовании, который высказал свое мнение о статье, опубликованной 26 апреля в журнале PLOS ONE. "Я был очень взволнован, когда увидел эту работу", - говорит Бергманн, поскольку в течение многих лет его лаборатория испытывала трудности с выявлением апоптоза "с помощью стандартных апоптотических маркеров". И в некоторых предыдущих исследованиях ингибирование апоптоза в клетках кишечника замедляло оборот клеток, а в других - нет. Это указывает на то, что может быть задействован какой-то другой механизм.
Полученные результаты также могут иметь клинические последствия. По словам Ю, дефект клеточного оборота связан с несколькими заболеваниями желудочно-кишечного тракта, включая язвенный колит и гастроэнтерит. Если эребоз происходит в кишечнике человека, он может нарушиться и сыграть свою роль в некоторых заболеваниях. Сейчас Ю работает над тем, чтобы понять, какие гены и белки участвуют в эребозе, а его коллеги проверяют, существует ли этот процесс у млекопитающих и в других тканях дрозофилы.
И, как ни странно, исследователи уже обнаружили, что Ance на самом деле не требуется. Процесс сброса молекул, органелл и сплющивания ядер не прекращался, когда Ance отключили с помощью миРНК. Таким образом, хотя клетки кишечника склонны поглощать Ance во время эребоза, исследователи пока не знают, почему. Важность или отсутствие важности Ance - не единственная загадка эребоза, которую еще предстоит разгадать. И Бергманн, и Домингес Кастеллано говорят, что предстоит еще много исследований. Например, они хотят узнать больше о том, какие гены и белки контролируют эребоз и в каких других тканях он может происходить. "Это [история] не просто одна статья", - говорит Бергманн, - "это десять статей".
