Разные реакции отдельных клеток дают мышцам больше контроля
Минимальные различия в сокращениях отдельных мышечных клеток позволяют всей мышце сгибаться с большей точностью и контролем. Долгое время считавшиеся «шумом» или ошибкой, эти вариации теперь рассматриваются экспертами как возможная эволюционная адаптация: биологические системы могли включить неизбежную вариабельность как форму информации в свои каналы связи. К такому выводу пришла команда специалистов из Токийского университета, опубликовавшая результаты в научном журнале Cell Reports.
«Различия в реакциях клеток на стимуляцию — это на самом деле другая форма информации», — заявил профессор Синья Курода, руководитель лаборатории, проводившей эксперименты.
В отличие от роботов, спроектированных для идентичных синхронных реакций, каждая клетка в естественной системе обладает уникальными особенностями, такими как индивидуальные паттерны экспрессии генов. Хотя все мышечные клетки получают одинаковый нервный сигнал на сокращение или расслабление, одна клетка может ответить сильным сокращением, а соседняя — слабым. Ранее научное сообщество предполагало, что эти вариации вызваны потерей информации в канале связи.
В новых экспериментах исследователи из Токийского университета отслеживали сокращения 551 отдельной мышечной клетки мыши, выращенной в лабораторных чашках. Каждая клетка получила 200 слабых электрических стимулов, чтобы наблюдать, как разные клетки реагируют на одинаковое воздействие.
«Ранее ни у кого не было технической возможности проводить такие повторные измерения на одиночных клетках», — отметил первый автор исследования Такуми Вада.
Независимо от того, реагировала ли клетка сильно или слабо на конкретный стимул, при увеличении силы электрического удара её ответ также усиливался. Более того, индивидуальные клетки были последовательны: каждый раз при получении одинакового стимула клетка отвечала одинаково.
«Мы наблюдали, что каждая клетка довольно точно реагирует на стимуляцию. Они просто разные», — пояснил Курода.
Надёжные и точные реакции на все уровни стимуляции гарантируют, что различия между клетками остаются постоянными и, следовательно, значимыми, а не непредсказуемыми и хаотичными. Вариабельность между клетками означает, что мышечная ткань в целом может детектировать более широкий диапазон интенсивности стимулов и реагировать с соответствующим более широким диапазоном контроля. Если бы все клетки реагировали одинаково, вся мышечная ткань могла бы выполнять только бинарные ответы «включено/выключено».
Исследователи провели дополнительные эксперименты на отдельных волокнах скелетных мышц мыши, а также проанализировали записи активности лицевых мышц, рутинно собираемые во время операций на пациентах-людях.
Эта концепция вариабельности отдельных клеток, передающей важную информацию в биологических системах, может быть применима и к другим процессам, где требуется широкий спектр реакций, например, к секреции гормонов. Так, поджелудочная железа может высвобождать разное количество инсулина благодаря тому, что отдельные бета-клетки поджелудочной железы по-разному реагируют на уровень сахара в крови.