Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Клетка формируется в поле постояннодействующей силы тяжести. Соответственно, все внутриклеточные структуры должны иметь такие механические характеристики, чтобы именно в этом поле обеспечить поддержание формы и объема клетки. Также скорость и направление метаболических процессов должны приводить к продукции достаточного количества макроэргов для осуществления всех процессов жизнедеятельности клетки в этом поле. Иными словами, структурно-функциональные возможности клетки «настроены» именно на то внешнее механическое поле, в котором эта клетка формировалась.
Однако остается ключевой вопрос, каким образом одна и та же клетка воспринимает противоположные изменения внешнего поля, микрогравитацию и гипергравитацию. Иными словами, условный сенсор внешнего гравитационного поля должен иметь три модальности в зависимости от действующей силы тяжести [1]:
Такие условия, накладываемые на сенсор, ограничивают его выбор. Кажется совершенно очевидным, с биофизической точки зрения, что любое изменение поля внешней силы, в частности, силы тяжести, действующей на клетку, приведет к возникновению механической деформации [1,2]. И действительно, при суборбитальном полете TEXUS-54 экспериментально было получено прямое свидетельство возникновения деформации — через несколько секунд было зафиксировано изменение формы клеток [3].
С физической точки зрения ясно, что величина деформации объекта зависит от приложенной к нему силы и собственных механических характеристик объекта. Собственные механические свойства клеток определяются, в первую очередь, цитоскелетными структурами. Для клеток высших животных, имеющих развитую цитоскелетную сеть, большой интерес представляет концепция «tensegrity» [4]. Однако в эволюционном ряду не все клетки имеют развитый цитоскелет, пронизывающий всю клетку, но все клетки имеют мембрану и связанный с ней кортикальный цитоскелет. Именно этот барьер отделяет внутриклеточное содержимое от внешней среды и позволяет поддерживать гомеостаз объема и формы клетки.
Поэтому можно предложить рассмотреть в качестве первичного механосенсора кортикальный цитоскелет и связанную с ним мембрану. Такой механосенсор может находиться в трех состояниях: недеформированное состояние, деформация растяжения или деформация сжатия при увеличении или уменьшении внешнего механического напряжения, например, при изменении силы тяжести. Следует отметить, что речь идет только о самых первых моментах изменения внешнего механического напряжения.
Нами были проведены измерения жесткости различных клеток и на их основе предложена математическая модель и сделаны расчеты величины деформации при изменении силы тяжести на 1g (for example, от 1g до 0g или в противоположную сторону) [1, 2, 5–9]. Результаты математического моделирования и сопоставления с экспериментальными данными свидетельствуют о достаточной энергии деформации для диссоциации, например, от филаментов актина актин-связывающих белков.
Поскольку кортикальный цитоскелет неоднороден, то деформации растяжения и сжатия могут приводить к диссоциации различных белков. Например, при растяжении, могут диссоциировать белки, формирующие продольные структуры кортикального цитоскелета; при деформации сжатия – белки, заякоривающие цитоскелет к мембране.
Проведенный систематический анализ возможных гравирецепторов у эукариот свидетельствует о различных путях ответа на изменение гравитационного стимула, но, практически всегда опосредованного цитоскелетом [10]. Следует отметить, что в эволюционном ряду ортологи могут принадлежать к разным цитоскелетным структурам, что, соответственно, может обусловливать широкий спектр возможных гравирецепторов у разных видов. Например, в экспериментах на млекопитающих мы показали, что в случае микро- и гипергравитации могут диссоциировать от кортикального цитоскелета различные актин-связывающие белки: альфа-актинин1 и альфа-актинин4, приводя к запуску различных путей и, далее, к различному изменению экспрессии генов [11–13]. Причем, экспериментальное увеличение жесткости кортикального цитоскелета клеток в экспериментах на грызунах invivo позволяет предотвратить диссоциацию актин-связвающих белков и, как следствие, предотвратить атрофические изменения в мышечных клетках и ухудшение параметров спермограммы при антиортостатическом вывешивании [14,15]. Однако у Drosophila изоформа альфа-актинина всего одна, поэтому вторым белком может быть также актин-связывающий белок фимбрин [16] Кроме того, нельзя исключать роль некодирующих РНК, которые могут связывать различные цитоскелетные структуры, например, тот же альфа-актинин-4 и бета-тубулин [17], и, соответственно, при изменении их локализации могут осуществлять запуск нижележащих сигнальных путей в некоторых клетках.
Суммируя все вышеизложенное, можно предложить интегральную схему развития и взаимосвязи событий механотрансдукуции в клетке. Если допустить, что в результате микро- и гипергравитации вследствие неоднородности структуры кортикального цитоскелета возникает разная деформация, то, как следствие, диссоциируют разные белки. Эти белки могут сами играть сигнальную роль, могут взаимодействовать с участниками других сигнальных путей, приводя к изменению экспрессии генов-мишеней, регуляции трансляции и посттрансляционных модификаций, метаболических процессов в клетке. Кроме того, возможное изменение структуры цитоскелета может приводить к изменению проводимости ионных каналов, афинности связывания сигнальных молекул, изменению локализации внутриклеточных структур (например, ядер или митохондрий). Все это вместе взятое приведет к формированию соответствующего адаптационного структурно-функционального паттерна клеток.
