Клетки человека используют коммуникационный приём, которому миллиард лет

Фото из открытых источников

Система передачи кальциевых сигналов в цианобактериях, существовавшая миллиард лет, раскрывает удивительно древние корни межклеточной коммуникации. Результаты исследования опубликованы в The EMBO Journal.

Человеческий организм зависит от обмена информацией между клетками. Клетки сердца должны работать согласованно, нервные клетки должны передавать сигналы, а многие другие ткани зависят от того, насколько хорошо клетки знают, что делают соседние клетки.

Это поднимает фундаментальный вопрос о жизни: когда клетки впервые научились общаться со своими соседями?

Новые исследования цианобактерий показывают, что некоторые из основных правил этой коммуникации появились гораздо раньше, чем у сложных животных, растений или человека.

Исследователи изучали Nostoc, тип цианобактерий, которые растут в виде цепочек соединенных между собой клеток. Цианобактерии гораздо проще человеческих клеток, поскольку у них нет ядра.

Однако клетки в этих цепочках не просто живут рядом друг с другом. Они обмениваются питательными веществами и другими материалами, что помогает всей цепочке функционировать.

Исследователи из Университета имени Генриха Хайне в Дюссельдорфе (HHU) хотели понять, как эти простые клетки контролируют данный обмен. В работе также принимал участие Тюбингенский университет.

Почему это важно для людей? Если очень древние и простые организмы уже использовали некоторые из тех же основных правил коммуникации, которые встречаются в сложных организмах, эти правила могут рассказать нам кое-что о том, как развивалась многоклеточная жизнь.

Команда сосредоточила внимание на кальции. В повседневной жизни кальций наиболее известен как минерал, связанный с костями, но внутри клеток он выполняет и другую функцию. Небольшие изменения уровня кальция могут передавать информацию. Клетки поддерживают эти уровни под строгим контролем, чтобы кальциевые сигналы появлялись в нужное время и в нужном месте.

Этот тип сигнализации важен для сложных организмов, включая человека. Исследователи обнаружили доказательства того, что кальций также помогает контролировать коммуникацию между клетками у цианобактерий.

«Для нас стало большой неожиданностью, что одна из древнейших форм жизни на Земле — эволюционно более древние и простые клетки — уже развила структуры коммуникации, регулируемые кальциевыми сигналами, аналогичные тем, которые обнаружены в клетках высших организмов, таких как животные и люди», — сказал Халед Селим.

Проще говоря, полученные данные свидетельствуют о том, что использование кальция для организации коммуникации между соседними клетками не является недавним изобретением сложных форм жизни.

Затем исследователи сосредоточились на небольшом белке под названием CSE. Этот белок связывает кальций и помогает контролировать количество свободного кальция внутри клеток цианобактерий.

Исследовательская группа изучила форму белка CSE и обнаружила, что кальций помогает белку формировать правильную структуру. Без кальция или подобных частиц белок становился гораздо менее упорядоченным.

Они также изменили часть белка CSE таким образом, что он перестал эффективно связывать кальций. Измененный белок связывал кальций примерно в восемь раз слабее, чем нормальная версия.

Этот результат помог подтвердить функцию CSE. Он действует как часть системы, которая поддерживает уровень кальция внутри этих бактериальных клеток. Более важный вопрос заключался в том, имеет ли этот кальциевый контроль значение для коммуникации между соседними клетками.

Чтобы это выяснить, команда сравнила нормальный Nostoc с клетками, которые не могли производить CSE. Они использовали светящийся краситель, чтобы отслеживать, насколько легко вещество перемещается из одной клетки в другую.

Многие клетки, не затронутые CSE, всё ещё могли взаимодействовать, но движение было медленнее. Проблема значительно усугублялась в коротких цепочках, которые распались на более мелкие фрагменты.

В поврежденных цепочках почти половина клеток общалась очень медленно или не общалась вовсе. От 10 до 30 процентов не демонстрировали никакой связи.

Это придает результату более ясный смысл. CSE делает больше, чем просто удерживает кальций. Когда этот белок отсутствует, клеткам трудно поддерживать систему, которая позволяет соседним клеткам обмениваться материалами.

Затем команда исследователей непосредственно изучила структуры, соединяющие бактериальные клетки. Эти крошечные соединения называются септальными соединениями.

Они проходят сквозь стенку, разделяющую соседние клетки, и позволяют веществам перемещаться между ними. В клетках человека существуют другие структуры, называемые щелевыми соединениями, которые также позволяют соседним клеткам напрямую взаимодействовать.

Исследователи обнаружили множество перегородочных соединений в нормальных клетках Nostoc. В клетках с отсутствием CSE их было значительно меньше.

В нормальных клетках соединения были видны в 14 из 22 микроскопических изображений. В клетках без CSE они были видны только в двух из 14 изображений.

Это помогает объяснить, почему связь замедлилась. Проблема заключалась не просто в том, что сигналы передавались медленнее по обычным каналам связи. Многие из этих каналов связи изначально отсутствовали.

Команда также исследовала крошечные отверстия в стенках между соседними клетками. Именно через эти отверстия, называемые нанопорами, могут образовываться клеточные связи.

В клетках без CSE было меньше нанопор по отношению к количеству доступной клеточной стенки. В некоторых стенках их было очень мало, а в других — почти не было. В нормальных клетках в измеренной исследователями области находилось около 55 нанопор. В клетках без CSE их было около 26, или примерно 47 процентов от нормального количества.

При отсутствии CSE стенки, разделяющие соседние клетки, также были значительно больше. В совокупности эти изменения позволяют предположить, что проблемы с контролем уровня кальция могут влиять на то, как бактерии строят структуры, необходимые для коммуникации.

Тереза Мюллер из группы Селима, заявила, что бактериальные структуры имеют важное сходство со связями, обнаруженными в более сложных организмах.

«По аналогии с соединительными структурами у эукариот, известными как щелевые соединения – традиционно считающиеся признаком эукариот – цианобактерии координируют межклеточную коммуникацию посредством соединительных структур, называемых «септумными соединениями», – сказала Мюллер. «Сигналы, регулирующие эту межклеточную коммуникацию и формирование межклеточных перегородок, ранее были в значительной степени неизвестны».

Это не означает, что бактериальные связи идентичны связям у человека. Это также не означает, что бактерии имеют ткани или нервную систему, похожие на человеческие. Однако сходство заключается в основной идее. Соседним клеткам необходимы физические связи, им нужны способы контролировать эти связи, и, по-видимому, кальций участвует в этом контроле.

Это открытие имеет важное значение, поскольку многие важные функции человеческого организма зависят от правильной коммуникации между клетками. Сердце, нервная система и другие ткани функционируют только благодаря координации действий клеток.

Изучение гораздо более простых организмов может помочь выявить, насколько стары некоторые из этих основных биологических правил.

Если кальций уже помогал древним клеткам контролировать коммуникацию, то современные организмы, возможно, до сих пор используют очень древнее решение той же самой фундаментальной проблемы.

«Наше исследование открывает новые перспективы в понимании эволюции», — говорит Селим. «Это позволяет предположить, что функциональные принципы высших организмов уже присутствовали в простых многоклеточных бактериях, образующих тканеподобные структуры, а это значит, что эти клеточные связи существовали за миллиард лет до того, как эволюционные линии эукариот и прокариот разошлись».

Полученные данные не доказывают, что клеточные связи человека произошли непосредственно от связей цианобактерий. Они предполагают, что кальций-опосредованный контроль коммуникации может иметь глубокие корни в истории жизни.

В работе основное внимание уделялось одному типу цианобактерий в лабораторных условиях. Исследователи до сих пор не знают всех этапов взаимодействия кальция, CSE и структур между соседними клетками.

Тем не менее, главный посыл прост. Задолго до появления человека некоторые из ранних многоклеточных организмов Земли, возможно, уже использовали кальций для обеспечения связи и взаимодействия между соседними клетками.