Внешнее механическое воздействие включает важные для процесса дифференциации сигнальные схемы в стволовых клетках. Об этом свидетельствует эксперимент, в ходе которого исследователи, возглавляемые биоинженером Инсяо Ваном (Yingxiao Wang) из Калифорнийского университета в Сан-Диего, надавливали на клетку миниатюрным шариком, удерживаемым оптическим пинцетом.
Сжатие приводит к освобождению ионов кальция, находящихся внутри клеток, а также открывает каналы в клеточной мембране, что позволяет ионам попадать внутрь клетки.
Известно, что механические силы, воздействующие на стволовые клетки, играют важную роль в процессе образования из этих клеток всех видов тканей, но до сих пор не было понятно, как некоторые из этих сил превращаются в сигнал, который толкает стволовые клетки к строительству новой ткани.
Результаты работы калифорнийских учёных опубликованы в журнале eLife. Статья открывает подробности функциональных механизмов, стоящих за дифференциацией стволовых клеток. Её авторы считают, что новое знание направит исследователей, стремящихся воссоздать эти механизмы в лаборатории, чтобы вынудить стволовые клетки развиваться в ткани, которые могут быть использованы в трансплантации.
«Физическое окружение стволовых клеток помогает управлять их судьбой, — объяснил Ван. — Клетки, находящиеся в жёсткой ткани, например, в костях челюсти, пребывают под более сильным давлением, что способствует производству твёрдых тканей кости».
Стволовые клетки в среде с меньшим давлением становятся более мягкой тканью, например, жировой.
Ван и его коллеги хотели узнать больше о том, как окружающие силы становятся сигналом для стволовых клеток к превращению в узкоспециализированные клетки и ткани. В их эксперименте давлению подвергались мезенхимальные стволовые клетки человека — тип стволовых клеток, обнаруживаемые в костном мозге, которые преобразуются в кости, хрящи и жир.
Был использован инструмент, известный как «световой пинцет»: сфокусированный лазерный луч, позволяющий захватить крошечный шарик и манипулировать им. Шариком надавливали на клеточную мембрану с силой порядка двухсот пиконьютонов (пиконьютон — одна триллионная ньютона).
Когда вне клетки нет ионов кальция, приложение силы освобождает ионы кальция из структуры внутри клетки, которая называется эндоплазматической сетью. Ионы образуются в результате взаимодействия внутренних структурных клеточных белков, из которых состоит цитоскелет, с актомиозином. Когда во внеклеточной среде присутствуют ионы кальция, внешнее воздействие приводит к тому, что цитоскелет пропускает их внутрь клетки.
Ионы кальция помогают доставить ряд важных клеточных сигналов. По словам Вана, «они часто запускают молекулярный каскад внутри клетки и могут посылать сигналы в клеточное ядро, которые включают или выключают экспрессию генов».
«Этот тип сигнализации может быть связующим звеном между механическими силами, действующими на стволовые клетки, и преобразованием их в другие типы клеток», — говорит Ван. В планах его исследовательской группы — изучение влияния механической силы на другие сигнальные пути в различных типах клеток.
