shkolageo.ru   1 2 3 4

3. Изменение ультраструктуры актинового цитоскелета при трансформации

Нами были проведены ультраструктурные исследования актинового цитоскелета нормальных и SV40-трансформированных фибробластов на электронно-микроскопическом уровне методом платиновых реплик (Svitkina and Borisy, 1998; Svitkina, 2007), в которых мы обращали особое внимание на периферические области клетки с целью выявления возможных различий в строении актинового цитоскелета на САУ, СлАУ и СтУ у контрольных и трансформированных клеток..

На электронно-микроскопическом уровне, также как и на световом, у контрольных фибробластов выявляются толстые актиновые пучки (рис.4 А). В передней части клетки имеются плоские ламеллиподии, образованные густой довольно регулярной актиновой сетью с большим количеством свободных концов актиновых микрофиламентов в зоне протрузии (рис. 4 А. и. Б); далее следует зона разрежения, там же, как правило, начинаются пучки. По боковому стабильному краю клетки (СтУ) идет мощный натянутый краевой актиновый пучок, за счет которого обеспечивается стабильность клеточного края (рис.4 В. и Г.).

При ультраструктурном исследовании в SV40-трансформированных клетках мы не наблюдали крупных актиновых пучков. Краевой пучок микрофиламентов у таких клеток тонкий и не очень плотный, а с его внешней стороны наблюдаются филоподии и мелкие ламеллоподии (рис. 5 Д). Этот пучок, вероятно, не создает должного натяжения, т.е. не препятствует образованию ламеллиподий и филоподий на боковых поверхностях и в хвостовой части клетки (рис. 5 Е). Таким образом, полученные данные подтверждают отсутствие у трансформированных клеток «истинно стабильного края».

Ультраструктура ламеллиподий трансформированных клеток также отличается от таковой у контрольных клеток: сеть актиновых микрофиламентов становится менее равномерной (рис. 5 А и Б). Наблюдается большое количество крупных раффлов, особенно в зоне ведущей ламеллы. (рис. 5 А). Эти изменения в строении активного края во многом обуславливают изменение его динамики у трансформированных клеток.





Рис. 4. Ультраструктура актинового цитоскелета клетки MRC-5. Видны толстые актиновые пучки в стабильной части клетки (справа) и зона ведущего края с ламеллой, ламеллиподиями и филоподиями (слева). А. Участок ведущего края. Видна густая упорядоченная актиновая сеть ламеллиподии (Б), филоподия, с подходящим к ней актиновым пучком. В. и Г. Участок стабильного края клетки. Виден краевой актиновый пучек и идущие параллельно ему стресс-фибриллы.




Рис. 5. Ультраструктура актинового цитоскелета клетки MRC-5V2. А. Нет крупных актиновых пучков, видны многочисленные раффлы (более темные участки) на периферии клетки. А. Сильноактивный участок ведущего края. Видна небольшая ламеллиподия (Л) с нерегулярной актиновой сетью (крупно показана на Б), крупный раффл в виде розетки (Р). В. и Г. Сильноактивный участок края с многочисленными раффлами (Р), расположенными в несколько рядов, и мелкими ламеллиподиями (Л) (крупно показаны на Г). Д. Тонкий «краевой пучок» актина (АП) в хвостовой части клетки с мелкими ламеллиподиями (Л), выходящими за его границы. Е. Слабоактивный участок края в боковой части клетки. Виден тонкий актиновый пучок (АП) и ламеллиподия (Л) с нерегулярной сетью актиновых микрофиламентов.

4. Характерные изменения в динамике активного края трансформированных клеток

При помощи DIC-микроскопии, видеосъемки живых клеток и последующего построения кимограмм нами была детально исследована псевдоподиальная активность контрольных и трансформированных клеток.

Характерными чертами псевдоподиальной активности всех исследованных контрольных клеток являются крупные, плоские и широкие протрузии и довольно низкая активность раффлинга. Частота образования протрузий и раффлов практически равны, т.е. каждая протрузия, как правило, переходит в небольшой раффл. Следует отметить, что скорость протрузии и ретракции не равны друг другу (рис. 6). Помимо этого, для клеток 10(3) и 1036 характерно наличие «пауз» динамической активности - участков покоя на краю, когда не образуются протрузии, и не происходит ретракция края.


Наиболее значимым и общим изменением динамики активного края при трансформации является значительное увеличение раффлинга у всех исследованных трансформированных линий. Если в норме мы видим отдельные всплески дорзальной активности, появляющиеся вслед за крупной протрузией (рис. 6), то у всех исследованных трансформированных клеток частота раффлов существенно повышается (в 1,5-3,2) и превышает частоту протрузий, т.е. раффлы образуются и в отсутствии видимой протрузии. Раффлы могут как бы сливаться в единый «вал», видимый позади небольшой ламеллиподии (рис. 6) или располагаться в несколько рядов (рис. 6), что также может свидетельствовать о довольно частом возникновении дорзальных раффлов, не ассоциированных с образованием протрузий. Это подтверждается при исследовании препаратов с помощью как электронного, так и конфокального микроскопов. На Z-срезах трансформированных клеток видны значительные утолщения ламеллы, которые по толщине у MRC-5V2 соответствуют толщине клетки в ядерной области (4,5 мкм), тогда как у контрольных клеток MRC-5 толщина раффлов не превышает 2 мкм.

У трансформированных клеток всех исследованных линий были отмечены и другие изменения характера псевдоподиальной активности разной степени выраженности. У трех из 4 исследованных линий протрузии уменьшаются в размерах, и их частота значительно увеличивается (в 1,8-2,5 раза) (кроме НТ-1080, у которых протрузии все же довольно крупные, а частота протрузий даже немного падает по сравнению с контролем).

Результаты исследования скоростей протрузий и ретракций не позволяют выявить однозначной динамики изменений у трансформированных клеток. Однако у всех исследованных трансформированных клеток прослеживаются изменения, направленные на уравнивание скоростей протрузии и ретракции относительно друг друга. Так, в результате Ras-трансформации разница между скоростями протрузии и ретракции лишь сокращается, а у трансформированных клеток, использованных в других системах, эти скорости и вовсе становятся равными.


«Паузы» динамической активности, характерные для контрольных 10(3) фибробластов и подкожных фибробластов 1036 пропадают у клеток трансформированных линий.




Рис. 6. Динамика активного края контрольных и трансформированных фибробластов. А. Кимограммы ведущего края контрольных 10(3), MRC-5, 1036 и трансформированных 10(3)RAS, MRC-5V1, MRC-5V2, HT-1080 клеток. Б. Диаграммы, иллюстрирующие динамические характеристики активного края на примере контрольных MRC-5 и SV40-трансформированных(MRC-5V1 и MRC-5V2) клеток.

Все описанные изменения позволяют утверждать, что трансформация клеток всеми исследованными способами приводит к тому, что активный край становится в целом более динамичным. Это, скорее всего, связано как с изменением ультраструктуры актиновой сети ламеллиподии и уменьшением числа и размера фокальных контактов, так и с изменением регуляции полимеризации актина. Так как ультраструктурные исследования показали, что сеть актиновых филаментов в ламеллиподии трансформированных клеток гораздо менее регулярна и более разрежена, чем в контроле, формируется меньше актиновых пучков, способных связываться с фокальными контактами (рис. 5), что может препятствовать образованию крупных протрузий, поскольку для успешного выдвижения крупной плоской протрузии клетка должна зацепиться за субстрат (Alexandrova et al., 2008). Снижение размеров и числа фокальных контактов (отсутствуют крупные штриховые контакты) у трансформированных клеток (рис. 1), по-видимому, отражает пониженную способность этих клеток к адгезии; клетка не может генерировать натяжение, не могут собираться полноценные акто-миозиновые пучки. Сходные данные были неоднократно описаны ранее (Mercurio et al., 2001; Ramos et al., 2002; Vasiljev, 2004; Maschler et al., 2005). Повышенная активность Rac, который в свою очередь активирует белки WAVE, обеспечивающие Arp2/3-опосредованную полимеризацию актина и образование протрузий (Ridley et al., 1992; Ridley, 2001; Burridge and Wennerberg, 2004), приводит к усилению полимеризации актина и образования псевдоподий. Не все из них способны закрепиться на субстрате, таким образом, увеличивается количество раффлов и возникает ярко выраженная дорзальная активность. По данным других авторов образование дорзальных раффлов довольно часто является результатом трансформации (Buccione et al., 2004).



5. Изменение локомоторного поведения фибробластов в результате трансформации

Нашей основной целью было выяснить, как описанные нами отличия в динамике и распределении активного края, определяющиеся строением актинового цитоскелета контрольных и трансформированных клеток, влияют на эффективность клеточной миграции. Существует несколько общепринятых методов оценки эффективности миграции: индивидуальная миграция, миграция клеток в экспериментальную рану или через миллипоровые фильтры. Мы применили все эти методы и сравнили результаты. Во всех опытах были получены существенные различия в локомоторном поведении контрольных и трансформированных клеток, как на двумерном, так и на трехмерном субстрате.

5.1.Миграция клеток в экспериментальную рану

Для изучения количественной миграции клеток был проведен опыт с 24 часовой раной, и рассчитаны расстояния выползания и количество клеток, идущих в рану за это время. Полученные результаты представлены в таблице 1. Ras- и SV40-трансформированные клетки вышли в рану на несколько большее расстояние, чем контрольные (в 1,2-1,5 раза), а расстояние выползания у клеток фибросаркомы и вовсе не отличалось от контрольного. Однако клетки фибросаркомы приобрели способность открепляться от монослоя и «высеваться» в свободную область экспериментальной раны. Существенные различия наблюдались в количестве вышедших в рану клеток: в зависимости от культуры число вышедших в рану трансформированных клеток превышало это число в контроле в 2-10 раз. Кроме того, трансформированные клетки двигались в рану фронтом, в отличие от нормальных клеток, которые двигались поодиночке.

Таблица 1. Миграция клеток исследуемых культур в экспериментальную рану за 24 часа.

Клеточная линия

Среднее расстояние выползания (мкм/сутки)


Среднее кол-во клеток*

10(3)

296±13

361±28*

10(3)RAS

351±11

712±49*










MRC-5

134±10*

53±11*

MRC-5V1

206±6*

470±22*

MRC-5V2

186±5*

547±57*










1036

565±70,0

77±11,7*

НТ-1080

493±3,9

534±15,2*

* Параметры достоверно различающиеся у контрольных и трансформированных клеток с р < 0,01.

Однако стоит отметить, что, несмотря на частое применение, такой метод оценки имеет целый ряд недостатков. Во-первых, при такой постановке опыта мы не учитываем скорость деления клеток, хотя известно, что у трансформированных клеток скорость пролиферации выше, чем у нормальных, что может объяснять столь сильное увеличение количества клеток в области раны. Экспрессия Ras индуцирует Raf-MAPK каскад (Van Aelst et al., 1993, Vojtek et al., 1993), который регулирует изменение активности транскрипционных факторов и прежде всего активирует пролиферацию клеток через регуляцию активности циклин-зависимых киназ циклинD/Сdk4 и циклинЕ/Cdk2, ответственных за вход S-фазу клеточного цикла (Mittnacht, 1998; Helin, 1998). Экспрессия LT-антигена вируса SV40 тоже вызывает активацию клеточного деления (DeCaprio et al, 1988; Hannon et al, 1993). Во-вторых, в конфлюэнтной культуре плотность нормальных и трансформированных клеток различается благодаря тому, что у трансформированных клеток отсутствует контактное торможение. Они часто образуют многослойную культуру. Оба эти фактора могут оказывать существенное влияние на полученный результат.


5.2. Локомоторное поведение одиночных фибробластов в редкой культуре

Оценив недостатки предыдущего метода, мы решили дополнительно проанализировать подвижность клеток вторым независимым способом – по перемещению клеток в редкой культуре на протяжении 8 ч. В этом случае нет специального внешнего стимула для клеточного движения и миграция клеток, направленная или нет, происходит только под влиянием внутриклеточных регуляций. Мы оценивали общий путь миграции и направленность клеточного движения (см. материалы и методы).

Таблица 3. Параметры движения контрольных и трансформированных клеток в редкой культуре.

Клеточная линия

Общий путь (Т), (мкм)

Средняя скорость (мкм/ч)

Эффективный путь (D) (мкм)

Направленность движения

(D/T) *

10(3)

44±4

5,5

35±4

0,78±0,03*

10(3)RAS

57±6

7,1

37±5

0,66±0,05*
















MRC-5

194±14*

24±2*

139±14*

0,71±0,04*

MRC-5V1


108±8*

14±1*

54±6*

0,51±0,04*

MRC-5V2

63±3*

8±0,4*

40±3*

0,66±0,04**
















1036

93±5,8*

12±0,7*

74±6,8*

0,77±0,038*

НТ-1080

42±2,6*

5±0,3*

23±2,3*

0,56±0,044*

Параметры достоверно отличающиеся у контрольных и трансформированных клеток * с р < 0,01; ** с р < 0,05.

Общий путь, пройденный Ras-трансформированными клетками, был сравним с контрольным значением (больше в 1,3 раза), а общий путь, пройденный SV40-трансформированными клетками и клетками фибросаркомы, оказался в 1,8-3,1 раза меньше, чем путь, пройденный контрольными клетками. Таким образом, скорость движения одиночных Ras-трансформированных клеток немного возросла, а скорость движения SV40-трансформированных клеток и клеток фибросаркомы даже снизилась (табл.3). Стоит отметить, что скорость движения одиночных клеток наиболее морфологичеки трансформированных линий была более низкой, а именно 6 и 8 мкм/ч у MRC-5V2 и НТ-1080 соответственно. Наиболее важным в изменении характера миграции было то, что движение клеток всех исследованных трансформированных линий стало более ненаправленным (рис. 7). Увеличение ненаправленности движения четко коррелировало со степенью выраженности морфологической трансформации, оно наглядно выражается через отношение эффективного пути к общему пройденному пути (D/T), которое составляет 0,71-0,77 в контроле и падает до 0,51-0,66 у трансформированных клеток. Нужно отметить, что среди MRC-5V2 и клеток фибросаркомы наблюдалось значительное количество «стоячих» клеток. Ядра этих клеток хаотически смещались на небольшие расстояния и постоянно меняли направление движения. Часть этих клеток готовилась к делению, чем можно объяснить остановку движения. Другие явно относилась к интерфазным клеткам, но, тем не менее, не совершали направленного движения, в отличие от большинства одиночных контрольных клеток. Это свидетельствует о том, что часть трансформированных клеток попросту не способна выбрать единое направление движения в отсутствии дополнительного стимула. Скорее всего, данное явление обусловлено наличием нескольких равноценных ламелл в разных сторонах клетки и отсутствием поляризации. Кроме того, примечательно, что наименьшее расстояние проходят клетки культуры НТ-1080.




Рис. 7. Общий путь миграции (треки) клеток контрольных (10(3), MRC-5, 1036) и трансформированных (10(3)RAS, MRC-5V1, MRC-5V2, HT-1080) культур за 8 часов.


Увеличение ненаправленности движения при трансформации, скорее всего, связано с активацией Rac, обуславливающей повышение псевдоподиальной активности и, возможно, сопутствующей перераспределению активного края. Ранее было показано, что даже сравнительно небольшое повышение активности Rac1 вызывает увеличение ненаправленного движения, но может не влиять на скорость клеточной миграции в целом или даже снижать ее (Pankov et al., 2005). Одиночной неполяризованной клетке сложно выбрать направление движения, и она движется довольно медленно и хаотично, или вовсе остается на месте. Однако в ране, когда соседние клетки задают направление движение друг друга, ограничивая возможность выбора, клетки могут двигаться с большей скоростью, локализуя всю псевдоподиальную активность на ведущем крае, что и обуславливает полученные нами эффект увеличения скорости миграции в этой модели. Скорее всего, именно перераспределение псевдоподиальной активности, в результате которого трансформированные клетки легко меняют направление движения, лежит в основе поискового поведения и является определяющим в проявлении способности опухолевых клеток к инвазии.

Кроме того, примечательно, что наименьшее расстояние при миграции на двумерном субстрате проходят клетки культуры НТ-1080, для которых показана способность переходить от мезенхимального движения к амебоидному и инвазировать матригель (Wolf and Friedl, 2009; наши данные).

5.3. Трехмерная миграция: миграция в камерах Бойдена

Для оценки способностей изученных нами клеток к миграции и инвазии в трехмерной системе нами были проведены соответствующие тесты в камерах Бойдена (см. материалы и методы) В отличие от предыдущих опытов по двумерной миграции на стеклах, в этих опытах трансформированные клетки вели себя гораздо активнее. В результате Ras-трансформации клетки приобрели способность к трехмерной миграции, которая отсутствовала у контрольных 10(3) фибробластов. Контрольные человеческие фибробласты (MRC-5) исходно обладали способностью к трехмерной миграции, но в результате SV40-трансформации эта способность значительно увеличилась и была сравнима со способностью к трехмерной мигра-




Рис. 8. Диаграммы, иллюстрирующие спопобность клеток исследуемых культур к трехмерной миграции и инвазии.

ции у клеток фибросаркомы. Кроме того, все исследуемые трансформированные линии, кроме 10(3)RAS, приобретали способность к инвазии, выраженную в проценте инвазии от 13-14% для SV40-трансформированных линий до 47% для линии фибросаркомы (рис. 8). Данные результаты согласуются со способностями данных линий расти в матригеле, описанными другими авторами (Huschtscha and Holliday, 1983; Wolf et al, 2003).

Таким образом, наиболее активными в опытах по трехмерной миграции оказались клетки «наименее приспособленные» к индивидуальному движению на двухмерном субстрате (стекле), а также, обладающие способностью отделяться и «высеваться» из клеточного монослоя. В большей степени это касается клеток НТ-1080 и клеток MRC-5V2, характеризующиеся наибольшими морфологическими изменениями: крайней степенью редукции актиновых пучков и фокальных контактов, практически полным отсутствием поляризации и стабильного клеточного края, наличием активного дорзального раффлинга и «блеббообразных» утолщений в зоне ведущего края. Это может свидетельствовать о том, что перераспределение псевдоподиальной активности скорее необходимо не для увеличения скорости миграции (особенно на искусственном двумерном субстрате не характерном для биологических систем), а для облегчения поиска клеткой путей инвазии. Так, поведение исследуемых нами трансформированных клеток сходно с поведением лейкоцитов при их проникновении в кровяное русло. (Nourshargh et al, 2010). Как показали недавние исследования, лейкоциты мыши при попытке преодолеть стенку сосуда проявляют «поисковое» поведение в ответ на множественную стимуляцию воспалительными факторами, выбирая для миграции места, свободные от перицитов (Wang et al., 2006; Voisin et al, 2010). Скорее всего, наблюдаемое нами ненаправленное «поисковое» движение, сопровождающееся увеличением раффлинга и наличием «блеббообразных» натеков у трансформированных клеток является аналогом подобного движения на двумерном субстрате. Тем более, что одна из используемых нами линий (НТ-1080), для которой характерны все вышеперечисленные изменения способна легко переключаться с одного типа движения на другой, за счет изменения баланса малых ГТФаз семейства Rho (Yamazaki, 2005).



<< предыдущая страница   следующая страница >>