Открытие того, что ткани используют электричество для удаления нездоровых клеток, является частью всплеска возросшего интереса к электрическим токам, протекающим в нашем организме. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Клетка сжимается из-за изменения своих биоэлектрических свойств перед тем, как выйти из ткани. Вспышка «молнии» представляет собой изменение преломления света при деполяризации мембраны и выходе воды из клетки. Оригинальное качество видео улучшено с помощью ИИ с одобрения автора. (Изображения сделаны каждые две минуты.)
Введение
Мы привыкли думать о мозге как об электрическом органе. А вот остальная часть тела? Не совсем. Но было бы ошибкой считать другие ткани просто бесформенными кусками электрически инертной плоти. Даже защитные слои клеток, из которых состоит ваша кожа и которые выстилают органы, используют электрические сигналы для принятия решений, согласно недавним исследованиям.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, показывают, что клетки используют биоэлектричество для координации сложного коллективного поведения, называемого экструзией, — жизненно важного процесса, который выталкивает больные или ослабленные отдельные клетки из ткани, чтобы поддерживать здоровье и сдерживать рост. Как бы безжалостно это ни звучало, экструзия помогает поддерживать жизнь. Она жизненно необходима для здоровья защитных эпителиальных тканей, и когда она нарушается, это может способствовать развитию заболеваний, включая рак и астму. До сих пор оставалось неясным, как именно клетки были выделены для этого процесса.
Согласно новым результатам, по мере роста эпителиальной ткани клетки располагаются плотнее друг к другу, что увеличивает электрический ток, протекающий через мембрану каждой клетки. Слабая, старая или испытывающая недостаток энергии клетка будет изо всех сил пытаться компенсировать это, что вызовет реакцию, в результате которой вода хлынет из клетки, вызывая ее сморщивание и предрекая гибель. Таким образом, электричество действует как своего рода медицинский осмотр ткани и направляет процесс обрезки.
«Это очень интересное открытие — обнаружение того, что биоэлектричество является самым ранним событием в процессе экструзии клеток», — сказал генетик Гуанцзюнь Чжан из Университета Пердью, изучающий биоэлектрические сигналы в развитии рыбок данио и не принимавший участия в исследовании. «Это хороший пример того, как расширяющаяся перспектива электронных сигналов может быть использована в фундаментальной биологии».
Новое открытие дополняет растущий набор биоэлектрических явлений, которые ученые обнаружили за пределами нервной системы, от обмена сигналами между бактериями внутри биопленки до клеток, следующих за электрическими полями во время эмбрионального развития. Электричество все чаще представляется одним из основных инструментов биологии для координации и обмена информацией между клетками всех типов.
«Люди просто отнесли [биоэлектричество] к категории „Это всего лишь нейроны“. Нет, это происходит во всем нашем организме», — сказала автор исследования Джоди Розенблатт, биолог, специализирующийся на эпителиальных клетках, из Королевского колледжа Лондона и Института Фрэнсиса Крика. «Электрические токи постоянно проходят через ваше тело и выполняют различные функции».
Искра жизни
Неслучайно монстр Франкенштейна ожил от искры. В конце XVIII века, всего за несколько десятилетий до того, как Мэри Шелли написала свой научно-фантастический шедевр, итальянский хирург Луиджи Гальвани потряс научное сообщество экспериментами, в которых с помощью металла и электричества заставляли отрубленные лягушачьи лапки дергаться. Он убедился, что в жизни существует «животное электричество».
В конце 1700-х годов анатом Луиджи Гальвани (слева) обнаружил, что препарированные лягушачьи лапки подергиваются при прикосновении электрической искры, что положило начало изучению того, что он назвал «животным электричеством».
Хотя позже выяснилось, что Гальвани ошибался в деталях, он не был совершенно неправ. Практически каждая клетка на каждой ветви древа жизни тратит значительную часть своего энергетического бюджета — в некоторых клетках более половины — на поддержание напряжения на своей мембране. Возникающая разность потенциалов, называемая мембранным потенциалом, запасает потенциальную энергию, которая может быть высвобождена позже. Это похоже на давление за плотиной: гравитация тянет воду вниз, а плотины накапливают энергию, удерживая воду на вершине холма. Подобно гравитации, электрохимическая сила тянет заряды «вниз» — положительные заряды движутся к отрицательным зарядам и наоборот в электрических токах. Блокирование этого потока, например, клеточной мембраной, накапливает электрическую потенциальную энергию.
Электрический ток, исходящий из наших розеток, представляет собой потоки электронов. В клетках «все довольно похоже, но не совсем то же самое», — говорит Элиас Баррига, изучающий биофизику тканей в Дрезденском техническом университете. «Мы питаемся ионами».
Ионы — это атомы или молекулы, несущие заряд благодаря избытку или отсутствию электронов, которые придают им, соответственно, отрицательный или положительный заряд. Они могут входить в клетки и выходить из них только через специализированные белковые каналы и насосы. Подобно тому, как гидроэлектростанции могут использовать избыточную энергию для перекачивания воды обратно в водохранилище для последующего использования, клетки используют свою химическую энергию для перекачивания ионов «вверх» против электрического тока. Контролируя естественный ток и позволяя положительному или отрицательному заряду накапливаться по обе стороны мембран, клетки поддерживают свой мембранный потенциал. И если эта энергия расходуется или утекает, клетки могут восполнить ее, затрачивая больше своей химической энергии.
«Вы создаёте потенциал: разница между внутренним и внешним пространством, разная концентрация ионов», — сказал Баррига. «В этом и заключается источник биоэлектричества».
Нейроны используют это биологическое электричество для обмена информацией. Высвобождая молекулы-посредники, называемые нейромедиаторами, которые открывают и закрывают ионные каналы, нейроны могут повышать или понижать мембранные потенциалы своих соседей. Если эти химические воздействия выводят мембранный потенциал нейрона за пределы порогового значения, клетка «взрывается» — чувствительные к напряжению ионные каналы открывают шлюзы для положительных ионов натрия, которые устремляются в клетку и вызывают быстрое колебание напряжения, распространяющееся вдоль нейрона. Когда этот сигнал достигает границы между нейронами, чувствительные к напряжению каналы широко открываются, запуская высвобождение нейромедиаторов к другим нейронам ниже по течению.
Сокращение мышц также начинается со скачка напряжения; нейроны посылают электрические сигналы в мышечные волокна, вызывая сокращения. Именно поэтому электризованные лягушачьи лапки Гальвани дергались, и именно поэтому разряд электричества может запустить остановившееся сердце. (Специализированные клетки сердца используют электричество для регулирования частоты его регулярных сокращений.) Хотя все ткани поддерживают мембранные потенциалы, исследователи на самом деле не знают, для чего они нужны. По сравнению с электрофизиологией, которая часто фокусируется на электричестве в мозге и сердце, область биоэлектричества — обобщающий термин для электрической активности во всех остальных частях организма — отстает, сказал Баррига.
«Думаю, в какой-то момент всё застопорилось, — сказал он. — Но теперь могу сказать, что всё возвращается с удвоенной силой».
Шокирующее открытие
Эпителиальные ткани, из которых состоит кожа и которые выстилают органы, кровеносные сосуды и полости тела, незаметно расходуют около 25% своей доступной энергии для поддержания мембранного напряжения в диапазоне от минус 30 до минус 50 милливольт. Однако исследователи, изучающие эти ткани, обычно исследуют механические силы, химическую сигнализацию и экспрессию генов, а не токи и напряжение, — говорит Розенблатт.
До недавнего времени это касалось и её. Розенблатт потратила 25 лет на изучение деталей процесса экструзии эпителия, который контролирует рост тканей. Поскольку эпителиальные клетки растут быстро, даже небольшое несоответствие между скоростью деления и гибели клеток может быстро привести к образованию опухоли или повреждению. Неконтролируемое размножение может перерасти в рак, а чрезмерное уничтожение клеток — как это может происходить при астме — нарушает целостность тканей. Важно найти правильный баланс.
Примерно 14 лет назад Розенблатт и его коллеги обнаружили, что переполненные эпителиальные клетки выталкиваются из ткани живыми — экструдируются — для поддержания баланса ткани по мере роста новых клеток. Это вызвало вопрос: как ткань «выбирает», какие живые клетки вытолкнуть?
В более ранних работах команда Розенблатта наблюдала, как некоторые клетки сбрасывали воду и сжимались, как изюм, прежде чем быть выдавленными; действительно, это сжатие, казалось, запускало процесс. Но исследователи не знали, что именно вызывало сжатие клеток. Они не работали с биоэлектричеством и не знали о каком-либо его возможном влиянии.
Биолог-клеточный специалист Джоди Розенблатт изучает экструзию — процесс, при котором ткань выталкивает клетки, чтобы предотвратить их перенаселение. Недавно ее лаборатория описала биоэлектричество как фактор, помогающий ткани «выбирать», какие клетки следует вытолкнуть.
В дальнейших экспериментах им удалось предотвратить сжатие клеток, заблокировав чувствительный к давлению ионный канал в клеточной мембране, который открывается при сжатии. Они решили проверить, может ли блокирование других ионных каналов также препятствовать экструзии.
«Мы получили столько результатов, что просто подумали: Боже мой, это невероятно», — вспоминает Розенблатт. Одним из таких результатов был потенциал-зависимый калиевый канал, подобный тем, которые открываются во время скачка напряжения в нейроне. Это показалось Розенблатту настолько «странным», что он решил продолжить исследование. Используя специальные красители, которые показывают напряжение на клеточных мембранах, ученые обнаружили, что эпителиальные клетки, предназначенные для экструзии — и только эти клетки — теряют свой мембранный потенциал примерно за пять минут до того, как сжимаются и подвергаются экструзии. Результат был ясен: экструзия начинается с электрического сигнала.
Вместо того чтобы, как нейроны, передавать нейромедиаторы друг другу, плотно расположенные эпителиальные клетки сжимаются. По мере увеличения плотности ткани сжатие усиливается. Это открывает чувствительные к давлению ионные каналы, которые позволяют положительным ионам натрия проникать через мембраны сжатых клеток внутрь клетки.
Столкнувшись с этой проблемой, здоровая клетка использует свою химическую энергию для активации насосов, которые выталкивают натрий обратно и восстанавливают его нормальное напряжение. Но стрессированные или нездоровые клетки, у которых нет лишней энергии, не могут справиться. Их мембранное напряжение падает, открывая эти «странные» чувствительные к напряжению каналы. Когда это происходит, вода вытекает из клетки в виде «молнии», отчетливо видимой на микроскопических изображениях, сказала Розенблатт. Как только клетка теряет 17% или более своего объема, она выталкивается наружу. Ее рабочая гипотеза заключается в том, что биохимический каскад, запускаемый уменьшением объема, сокращает моторные белки, которые механически выталкивают клетку наружу.
Таким образом, биоэлектрический поток через клеточные мембраны позволяет тканям определять, какие клетки наименее здоровы, и помечать их для удаления. «Они постоянно сталкиваются друг с другом и оказывают друг на друга давление. И они исследуют друг друга, чтобы определить, какое звено является самым слабым», — сказал Розенблатт. «Это эффект взаимодействия».
Эволюция в профессии электрика
В Калифорнийском университете в Сан-Диего биофизик Гюрол Сюэль изучает электричество в бактериальных биопленках — коллективах, состоящих из одноклеточных бактерий, способных также выживать независимо. Сигнальные процессы, описанные Розенблатт и ее командой в тканях человека, имеют много общего с электрическими механизмами, описанными Сюэлем в микробах, — и которые снова и снова встречаются на всем древе жизни.
«Это очень изящное исследование, очень хорошие результаты», — сказал он о новом исследовании. «И с концептуальной точки зрения оно имеет смысл».
Гюрол Сюэль изучает, как бактерии в биопленках используют биоэлектричество для общения и координации. По его словам, мембранный потенциал «почти с первого взгляда говорит о состоянии клетки».
Электричество всё чаще представляется одним из излюбленных решений эволюции для интеграции множества потоков информации. Эпителиальные ткани используют его для контроля за перенаселенностью. Нейроны компилируют входные сигналы из множества источников в импульсный выходной сигнал. Венерина мухоловка захлопывается, когда сенсорные волоски с чувствительными к прикосновению ионными каналами реагируют на добычу. Эти каналы настроены на запуск скачка напряжения и дают команду ловушке закрыться только при многократном быстром воздействии.
«Мембранный потенциал имеет фундаментальное значение и изменяется очень быстро», — сказал Зюэль. В то время как включение и выключение генов или увеличение производства белка могут занимать минуты или часы, мембранный потенциал может измениться за доли секунды. «Он позволяет практически с первого взгляда оценить состояние клетки», — добавил он.
Десять лет назад Сюэль и его команда показали, что микробы в биопленках могут повышать потенциал своей мембраны для коммуникации, подобно нейронам. С тех пор они продемонстрировали, что биопленки используют электричество для координации задач, предотвращения неконтролируемого роста и привлечения свободно плавающих бактерий к коллективу. Биоэлектричество даже может помочь им избежать трагедии общих ресурсов: две биопленки, совместно использующие скудную пищу, могут посылать друг другу электрические сигналы, чтобы по очереди питаться.
Многоклеточные животные также используют электрические сигналы для самоорганизации. Чжан из Университета Пердью изучает биоэлектрическую сигнализацию у рыбок зебр, у которых при мутации определенного ионного канала развиваются поразительно длинные хвосты. Это говорит о том, что электрические сигналы каким-то образом указывают тканям развивающегося эмбриона, как долго им нужно расти. Майкл Левин, исследователь из Университета Тафтса, блокировал клеточные каналы, чтобы манипулировать мембранными потенциалами развивающихся эмбрионов червей, в результате чего генетически идентичные черви развивают разные планы строения тела. А в прошлом году Баррига и его коллеги показали, что эмбрионы лягушек генерируют естественные электрические поля, которые направляют миграцию определенных стволовых клеток в нужные места в развивающемся эмбрионе.
Нарушение биоэлектрических процессов может быть одной из упущенных из виду причин заболеваний. Раковые клетки, как правило, имеют иной мембранный потенциал, чем здоровые, и Левин утверждал, что некоторые виды рака могут быть результатом нарушения многоклеточности, которое происходит, когда клетки больше не могут использовать электричество для координации. Например, возможно, они больше не могут передавать сообщение «Я испытываю трудности и меня следует удалить», и результатом является неконтролируемый рост и, в конечном итоге, опухоль.
Сюэль убежден, что биоэлектричество так же древнее, как и сама жизнь. Действительно, электрический ток приводит в движение молекулярные турбины, которые синтезируют универсальную энергетическую валюту жизни, АТФ, в каждой живой сегодня клетке. Один из ведущих сценариев происхождения жизни относит начало жизни к глубоководным гидротермальным источникам. Там естественные потоки положительно заряженных протонов могли служить своего рода первичным мембранным потенциалом и питать пребиотические химические реакции. Но независимо от того, началась ли жизнь с такой искры или нет, повсеместное распространение биоэлектричества предполагает, что у него есть глубокие эволюционные корни, которые мы только начинаем раскрывать.
«В клетках, как показано в этой статье, происходит много интересных вещей, о которых мы пока не знаем», — сказал Сюэль. «Мы не раскрыли даже половины из них… Есть огромный потенциал для открытий».
Источник: www.quantamagazine.org
