Почему клетки образуют инвадоподии?

В ходе развития и работы иммунной системы у животных специализированные клетки приобретают способность проникать в другие ткани. Такое инвазивное поведение важно для клеток нервного гребня, которые проникают в кожу и обеспечивают пигментацию; для эмбрионов, которые внедряются в стенку матки для установления фетально-материнской связи; и для иммунных клеток, которые проникают в ткани, чтобы достичь мест повреждения и инфекции. Инвазивное поведение также приобретается клетками при ряде заболеваний, включая астму, ревматоидный артрит и, что наиболее важно, рак, где инвазия опухолевых клеток приводит к летальному исходу.

Одним из самых труднопреодолимых барьеров, который должны преодолеть инвазивные клетки, является базальная мембрана — плотное, листоподобное скопление белков и углеводов, которое функционирует как обертка из кевлара, окружающая и защищающая ткани. Чтобы преодолеть барьеры базальной мембраны, клетки используют «инвазивные ножки» или инвадоподии. Инвадоподии подобны клеточным сверлам на поверхности клеток, которые пробивают базальные мембраны. Большинство событий клеточной инвазии происходят быстро, глубоко в тканях и редко. Поэтому было трудно увидеть и изучить инвадоподии в живом организме даже с помощью самых современных микроскопов. Усугубляя проблему, было невозможно провести прямые генетические скрининги для случайного нокаута генов и поиска тех, которые контролируют образование инвадоподий. В результате понять, как клетки образуют инвадоподии во время инвазии, было сложно.

Как изучают инвадоподии?

Моя лаборатория изучает, как одна клетка — якорная клетка — у нематоды Caenorhabditis elegans прорывает базальную мембрану, чтобы соединить ткани матки и вульвы. Червяк C. elegans прозрачен, а инвазия якорной клетки высоко стереотипна, что позволяет легко визуализировать процесс. Кроме того, мы разработали различные флуоресцентные белки, которые маркируют молекулы, составляющие базальную мембрану, и которые находятся только в якорной клетке, что позволяет одновременно наблюдать за разрушением базальной мембраны и молекулами в якорной клетке, которые строят инвадоподии. Наконец, мы создали методы скрининга, которые позволяют быстро подавлять функцию каждого гена у червя и проверять, влияют ли они на построение инвадоподий. Используя эти подходы, в этом выпуске PLOS Genetics мы провели первый крупномасштабный скрининг в живом организме, чтобы определить, какие ключевые гены способствуют образованию инвадоподий. Наше исследование сообщает о 13 генах-кандидатах, участвующих в этом процессе, и мы подтвердили, что два из них специфически функционируют для создания инвадоподий.

Как Rho GTPаза Cdc42 и Rab GDP диссоциационный ингибитор GDI-1 способствуют функции инвадоподий?

Одним из выделенных генов была Rho GTPаза Cdc42 — молекулярный переключатель, запускающий полимеризацию F-актина. Актин — это цитоскелетный белок, динамическая полимеризация которого в F-актин (длинные цепи и разветвленные сети мономеров актина) генерирует силу на клеточных мембранах, которая обеспечивает их выпячивание через базальные мембраны. Используя молекулярный зонд, регистрирующий активность Cdc42, мы обнаружили, что Cdc42 активен именно на клеточной мембране якорной клетки, которая контактирует с базальной мембраной и инициирует образование новых инвадоподий. В любой момент времени в клетке присутствует примерно 10 инвадоподий, которые быстро образуются и обновляются (каждая инвадоподия живет ~45 секунд). Без Cdc42 образуется только около половины инвадоподий, и эти инвадоподии являются плохими «захватчиками», прорывая базальную мембрану с задержкой.

Мы также идентифицировали и охарактеризовали Rab GDP диссоциационный ингибитор GDI-1, который контролирует транспорт внутриклеточных мембран. GDI-1 доставляет специализированную инвадоподиальную мембрану изнутри клетки к месту образования инвадоподий на клеточной поверхности. Инвадоподиальная мембрана может добавлять мембрану к инвадоподиям, чтобы «захватчики» могли проникать через базальную мембрану, и, возможно, доставляет протеолитические ферменты, растворяющие базальную мембрану. В отсутствие GDI-1 инвазивная клеточная мембрана неправильно направляется ко всем внешним мембранам клетки, и образуется меньше инвадоподий.

Что дальше?

Остается много вопросов. Потеря ни Cdc42, ни GDI-1 не блокирует полностью образование инвадоподий. Какие другие молекулы инициируют образование инвадоподий в отсутствие Cdc42? Являются ли образующиеся инвадоподии молекулярно другими? — они все еще прорывают базальную мембрану, хотя и с задержкой. Как доставка инвадоподиальной мембраны к клеточной поверхности координируется с генерацией F-актина под действием Cdc42 для создания инвадоподий? Обеспечивает ли Cdc42 место «посадки» для инвадоподиальной мембраны? Кроме того, каковы функции остальных 11 генов, способствующих образованию инвадоподий? Характеристика этих генов позволит получить дополнительные увлекательные сведения об инвадоподиях и, вероятно, приведет к новым идеям о том, как блокировать их образование при заболеваниях человека. Важный вывод этого исследования заключается в том, что у инвадоподий существуют надежные и избыточные механизмы их построения in vivo. Таким образом, для предотвращения образования этих структур при таких заболеваниях человека, как рак, вероятно, потребуется воздействие на несколько компонентов формирования инвадоподий.