Почему сердце слева, а печень справа? Найден клеточный механизм, отвечающий за асимметрию тела

Природа не терпит идеальной симметрии: ваше сердце слева, печень справа, а ДНК закручена в двойную спираль. На макроскопическом уровне это проявляется в расположении внутренних органов: сердце смещено влево, печень — вправо. Нарушение этой асимметрии, известное как транспозиция органов, часто сопряжено с тяжелыми патологиями развития.

Чтобы построить асимметричное тело, клетки, из которых всё и состоит, должны уметь различать стороны. Долгое время биологи полагали, что этот механизм работает одинаково у всех клеток и зависит от наклонных балок клеточного каркаса.

Новое исследование японских ученых из института RIKEN опровергает это предположение. Изучая клетки эпителия, они обнаружили принципиально иную систему. Оказалось, что клетка может вращаться не за счет сложной архитектуры опор, а благодаря законам гидродинамики, действующим внутри живой материи.

Наблюдение

Ученые работали с клетками линии Caco-2. Это стандартная модель для изучения эпителия кишечника. В организме эти клетки образуют плотные слои, но если поместить их на стекло поодиночке, происходит интересное.

Как только клетка закрепляется на поверхности и распластывается, ее внутреннее содержимое начинает вращаться. Ядро и окружающая его жидкость (цитоплазма) совершают стабильное движение по часовой стрелке, если смотреть сверху. Это движение медленное — полный оборот занимает несколько часов — но оно не прекращается до тех пор, пока клетка не начнет делиться.

Это наблюдение поставило перед исследователями вопрос: где находится двигатель? Что именно создает силу, способную часами крутить ядро огромной (по микроскопическим меркам) клетки в одном и том же направлении?

Поиск двигателя

Внутри клетки есть скелет — сеть белковых нитей, которые держат форму и обеспечивают транспорт веществ. Основные компоненты этого скелета — микротрубочки и актиновые нити. Чтобы найти, из-за чего происходит вращение, ученые по очереди отключали эти системы с помощью химических веществ.

1. Когда разрушили микротрубочки, вращение продолжилось. Значит, они здесь ни при чем.
2. Когда заблокировали работу актина или белка миозина (который работает в паре с актином, как мышца), движение мгновенно остановилось.

Получается, вращение создает актомиозиновая система. Это те же белки, которые заставляют сокращаться наши мышцы. Вопрос был лишь в том, как именно они организованы в пространстве.

Смена парадигмы

Ранее подобные процессы изучали на фибробластах — клетках соединительной ткани. У них механизм вращения понятен. На нижней стороне (той, которой они стоят на поверхности) есть радиальные пучки актина. Эти пучки лежат под наклоном, как лопасти турбины. Когда они сокращаются, они механически толкают клетку, заставляя ее поворачиваться.

Ученые ожидали увидеть то же самое и у клеток кишечника. Они действительно нашли пучки актина на дне клетки. Но, к их удивлению, эти пучки оставались неподвижными во время вращения ядра.

Чтобы найти настоящий источник силы, исследователи применили современные методы 3D-микроскопии. Ответ нашелся там, где его не ждали — на «крыше» клетки.

Под самой верхней мембраной клетки ученые обнаружили плотное кольцо из актина и миозина. Именно эта структура была активна. Замеры скорости потоков жидкости внутри клетки подтвердили: самое быстрое движение происходит наверху, в зоне этого кольца. Цитоплазма там разгоняется и увлекает за собой лежащее ниже ядро.

Чтобы окончательно доказать это, ученые химически заставили белки переместиться с «крыши» на «дно» клетки. Как только концентрация актина наверху упала, вращение прекратилось. Это доказало: двигатель находится сверху.

Как кольцо создает вращение

Здесь биологи столкнулись с проблемой, требующей помощи физиков.

Найденная структура — это кольцо. Белок миозин работает на сжатие: он тянет нити актина друг к другу. Если вы равномерно стягиваете кольцо, оно должно просто уменьшаться в диаметре, сжиматься к центру. Откуда берется вращательный момент? Почему жидкость начинает течь по часовой стрелке, а не просто сходиться в точку?

Ответ кроется в свойствах активной материи. Цитоплазма клетки — это среда, в которую постоянно закачивается энергия.

На макроуровне кольцо выглядит симметричным. Но на уровне молекул симметрии нет.

1. Нити актина — это спирали. Они закручены вправо (как винт).
2. Моторы миозина, шагая по этим спиралям и натягивая их, не просто создают линейную тягу. Из-за винтовой формы актина при каждом шаге возникает крошечный вращательный импульс.

В обычной жидкости эти микроскопические импульсы гасили бы друг друга из-за хаоса. Но в плотном кольце под мембраной миллионы молекул выстроены упорядоченно, и их микроскопические вращения складываются.

Математическое моделирование показало, что этого достаточно. Сумма миллионов микроскопических подкручиваний заставляет вязкую жидкость течь перпендикулярно радиусу кольца. Так сжатие превращается в вихрь, направление которого (по часовой стрелке) задано структурой самой молекулы актина.

Два способа нарушить симметрию

Это открытие важно, потому что оно показывает: природа имеет в запасе больше инженерных решений, чем мы думали.

• Первый способ (известный ранее): построить асимметричный каркас. Сделать наклонные балки на дне клетки, которые будут толкать ее в бок. Так делают фибробласты.
• Второй способ (открытый сейчас): использовать физику жидкости. Собрать симметричное кольцо из моторов наверху клетки и позволить их молекулярной структуре закрутить поток жидкости. Так делают клетки эпителия.

Эпителий — это ткань, из которой формируются наши органы. Понимание того, что эти клетки могут генерировать потоки жидкости и вращаться за счет внутренних свойств белков, объясняет, как бесформенный комок клеток эмбриона вдруг начинает понимать, где у него левая сторона, а где правая, и безошибочно выстраивает сложную архитектуру организма.

Источник: eLife