Ćelije: Zašto je oblik važan? Understand article

Prevela Anabela Oruči, Univerzitet u Beogradu, Biološki fakultet. Nove tehnike otkrivaju kako ćelije kontrolišu svoj oblik – i promene koje mogu predstavljati rane znake bolesti.

Milijarde godina evolucije su obezbedile živim organizmima neverovatan diverzitet oblika i formi, od amorfne nepravilnosti jednostavnih životinja kao što su sunđeri, do “isklesanih” i simetričnih oblika složenijih bića, uključujući i nas. Ali nemaju samo organizmi ogroman raspon oblika, već i njihove ćelije, takođe.

Oblici ćelija su obično povezani sa njihovom funkcijom. Na primer, neuroni u našim mozgovima, imaju zvezdasto raspoređene nastavke pomoću kojih se povezuju sa drugim neuronima, a crvena krvna zrnca imaju oblik bikonkavnih diskova da bi maksimizovali svoj kapacitet nošenja kiseonika, a njihov oblik im obezbeđuje da se provuku kroz najuže krvne sudove. U suptotnosti sa ovim, makrofagi (tipovi belih krvnih zrnaca) imaju promenljiv, ameboidni oblik koji im pomaže da obuhvate strana tela. U biljnom svetu, oblici ćelija variraju od komplikovanih bodljikavih formi polenovih zrna – adaptiranih da se prenose vetrom ili da se zakače za insekte pomoću kojih se vrši oprašivanje – do raznih varijanti bubrežastih oblika ćelija zatvaračica, koje otvaraju i zatvaraju pore u listovima. Ćelije mogu imati i komplikovanije oblike, kao što su uvrnute prizme ili skutoidi; ovo je prirodni način koji obezbeđuje epitelnom tkivu da se zakrivljuje.

Human blood, showing biconcave red blood cells
Ljudska krv, prikazani su bikonkavna crvena krvna zrnca, T ćelije (narandžasto) i trombociti (zeleno)​
ZEISS Microscopy/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
Pollen grains from a variety of common plants
Polenova zrna različitih biljaka, prikazani su raznovrsni oblici
Dartmouth College Electron Microscope Facility/Wikimedia Commons, CC0

Menjanje oblika

Iako je oblik ćelije povezan sa njenom funkcijom, mnoge ćelije imaju potencijal da promene svoj oblik. Ova sposobnost je kritična pri embrionalnom razviću, kada tkiva pretrpljuju dramatične transformacije u vidu nabiranja, brazdanja i savijanja prilikom formiranja organa. U embrionima voćne mušice, na primer, proces gastrulacije – tokom koga embrionska lopta ćelija počinje da se diferencira u karakteristična tkiva – je vođen promenom ćelijskih oblika poznatim kao apikalna konstrikcija. Epitelne ćelije na jednoj strani embriona menjaju svoj oblik od stubolikog ka flašolikom obliku, uzrokujući da se epitel savija u vidu cevi (slika 1).

Velike promene u ćelijskom obliku, takođe se javljaju kada grupa ćelija migrira od jedne strane embriona na drugu. U embrionima zebrica,  ćelije uključene u razvoj ‘bočne linje’ (senzornog organa kod riba) stvaraju sićušna izbočenja koja se zovu filopodije i lamelipodije. Ona se pojavljuju na vodećoj ivici grupe ćelija i čini se da usmeravaju tu grupu ćelija u određenom pravcu ( slika 2) .

Gastrulation in fruit fly embryos
Slika 1: Gastrulacija embriona voćnih mušica: epitelne ćelije menjaju oblik, uzrokujući uvijanje.
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Embryo: Embrion;
Epithelial cells: Epitelne ćelije
Migrating cell cluster in zebrafish
Slika 2 : Migratorna grupa ćelija, prikazano je menjanje ćelijskih oblika na vodećoj ivici
Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Protrusions on leading edge: Izbočenja na vodećoj ivici;
Direction of migration: Pravac migracije

Menjanje oblika je takođe bitno pri ćelijskoj deobi, što igra glavnu ulogu u mnogim razvojnim procesima. Kada počne mitoza (ćelijska deoba), ćelije se promene od ravnih ka sferičnim. Eksperimenti koji su držali ćelije u deobi unutar kanala mikroskopskih veličina, ograničavajući njihove dimenzije, su otkrili da je sferična faza neophodna da bi se hromozomi raspodelili podjednako kćerkama ćelijama. Ako se spreči sferični oblik, ćelijska deoba izostaje (Lancaster et al., 2013).

Kontrolisanje ćelijskog oblika

Ali šta to konkretno kontroliše oblik ćelije? Iako nemamo jasno objašnjenje, otkrili smo neke molekulske i mehaničke procese koji određuju oblik ćelije. Ova otkrića dolaze velikim delom od poznatih laboratorijskih organizama, kao što su voćna mušica i zebrice, ili od ćelija kancera uzgajanih u kulturi, ali mnogi od ovih procesa su verovatno univerzalni.

Jedan važan deo ćelije koji utiče na njen oblik jeste korteks – mreža strukturnih proteina koja formira sloj ispod ćelijske membrane. Fizičke osobine korteksa određuju koliko je čvrsta ili meka ćelijska površina i tako koliko je ćelija kao celina savitljiva. Korteks se sastoji uglavnom od dve vrste proteina koji su blisko povezani sa proteinima koji obezbeđuju mišićnim vlaknima da se kontrahuju: aktin, koji formira dugačke mikrofilamente, i miozin, koji se vezuje za aktinske mikrofilamente i koristi hemijsku energiju da ih povuče, ponašajući se kao motor. Sistem generiše kontrakcije na sličan način kao što to radi aktinomiozinski sistem u mišićima.

Human skin cells in culture
Ljudske ćelije kože u kulturi, prikazani su aktinski filamenti obojeni u crveno i ćelijsko jedro obojeno u plavo​
Vshivkova/Shutterstock.com
 

Naučnici su takođe otkrili stotine regulatornih proteina koji interaguju sa aktinskim mikrofilamentima u korteksu. Razotkrivanje na koji način ovi proteini utiču na korteks, i tako na oblik ćelije, je aktivno područje daljeg istaživanja. Jedna česta tehnika koja se koristi za njihovo izučavanje je da se blokira produkcija regulratornih proteina jednog po jednog koristeći siRNK (male interferirajuće RNK molekule), što utišava pojedine gene. Drugi ekperimenti su otkrili kako na oblik ćelije utiču isključivanje miozinskih “motora” ili seckanje aktinskih mikrofilamenata na fragmente.

Ključni pronalazak jeste da aktinomiozinski korteks kontroliše ćelijski oblik tako što stvara napetost na ćelijskoj površini, kao napetost površine balona. Ako su miozinski motori inhibirani ili su aktinski filamenti razbijeni, napetost se gubi i površina ćelije formira ispupčenja, što remeti njen oblik.

U mnogim slučajevima, spoljašnje sile diktiraju oblik ćelija. Na primer, epitelne ćelije u sklopu krila voćnih mušica formiraju  šestougaone oblike zato što su spakovani zajedno kao u tesnom saću, sa svakom ćelijom okruženom sa oko šest susednih ćelija. Slično, ćelije koje oivičavaju naše krvne kapilare su uobličene protokom krvi, što je dovelo do toga da postanu izduženije i poređane paralelno protoku krvi.

Ćelijski oblik i oboljenja

Promene u ćelijskom obliku imaju glavnu ulogu u razvitku brojnih bolesti, uključujući one koje su prouzrokovane infektivnim organizmima, ili one izazvane greškama na genima. Na primer, mutacije koje uzrokuju rak mogu da učine da ćelije izgube svoje adhezivne molekule koje ih povezuju sa susednim ćelijama, što ih čini amorfnim i deformisanim – i tako im pomažu da putuju i da se dele u drugim delovima tela. Kod Alchajmerove bolesti, mutacije deluju na dendrite nalik granama, koji povezuju ćelije mozga, čineći ih kraćim ili manje razgranatim. Kod srpaste anemije, mutacije daju crvenim krvnim zrncima zakrivljen, srpsasti oblik, dok kod malarije – oboljenje uzrokovano kada parazit Plasmodium inficira crvena krvna zrnca – ćelije postanu manje fleksibilne i teže podložne promeni oblika.

Red blood cells, some showing sickled shape
Crvena krvna zrnca, neka pokazuju karakteristični zakrivljeni oblik koji uzrokuje srpastu anemiju
Viv Caruna/Flickr, CC BY-2.0
Red blood cell infected with malaria
Crvena krvna zrnca, sa promenama u obliku zbog malarije​
Rick Fairhurst/Jordan Zuspann/National Institute of Allergy and Infectious Diseases/National Institutes of Health/Flickr, CC BY-NC 2.0
 

Iako znamo da su abnormalnosti u ćelijskim oblicima primećene u nekim čestim i teško izlečivim bolestima (kao što su rak i Alchajmerova bolest), nije uvek jasno da li su ovi defekti uzročnici, ili su samo simptomi bolesti. Kako god, istraživanje ćelijskog oblika, i nove tehnike koje to podržavaju, nude novu liniju ispitivanja da se otkrije kako se takva oboljenja razvijaju.

Na primer, saradnja između biologa i fizičara je stvorila tehniku nazvanu real- time citometrija deformatibilnosti, ili RTDC (videti polje sa tekstom).  Kako napreduje naše razumevanje ćelijskog oblika i njegova uloga u razviću i bolestima, ova nova tehnika može da obezbedi efektivni način detektovanja ćelija raka na ranom stadijumu. Takve tehnike nude nadu novim dijagnostičkim metodama koje  mogu sačuvati živote tako što ranije detektuju bolest, kada tretman ima mnogo bolju šansu da uspe.

Tehnologija ćeljskog oblika

Atomic force microscopy
Slika 3: Mikroskopija
atomskih sila​

Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Fine probe (tip deflected):
Fina sonda (zakrivljeni vrh);
Cell membrane: Ćelijska
membrana; Cortex: Korteks

Nove tehnologije su omogućile da se meri nepetost površine svake pojedinačne ćelije, što nam govori koliko tenzije ima u korteksu koji se nalazi ispod. Tri najčešće tehnike za merenje tenzije, odnosno napetosti ćelijske površine su mikroskopija atomskih sila, mikropipetna aspiracija i laserska ablacija.

Mikroskopija atomskih sila koristi sićušni metalni vrh, tanji nego dlaka, da ispita ćelijsku površinu (slika 3). Mera izvijanja tokom ispitivanja otkriva koliko je površina zategnuta. Koristeći ovu tehniku, naučnici su otkrili da povećana tenzija dovodi do promena u obliku od ravnog ka sferičnom u ranoj fazi ćelijske deobe. Mikropipetna aspiracija uključuje merenje sile potrebne da se usisa deo ćelije u mikroskopsku pipetu (slika 4). Laserska ablacija uključuje odsecanje mreže aktinskih mikrofilamenata u korteksu pomoću lasera i merenje sledstvenog trzaja kada dve strane korteksa puknu, kao kada se preseče lastiš.

Micropipette aspiration
Slika 4: Mikropipetna
aspiracija​

Priyamvada Chugh/Nicola Graf
Micropipette: Mikropipeta;
Cell membrane: Ćelijska
membrana; Cortex: Korteks

Iako su sve tri metode efikasne, one procenjuju samo jednu ćeliju u određenom vremenu. Druga tehnika, “real time citometrija deformabilnosti” ( RTDC), može da proceni stotine ćelija u sekundi (Otto et al., 2015). Kod RTDC-a , suspenzija ćelija se upumpava špricom kroz kanal mikroskopskih dimenzija. Sile u protičućoj tečnosti deluju na abnormalno meke ćelije – kao što su ćelije raka – i one se deformišu, dok su kruće ćelije pod manjim uticajem. Kamera prikačena za mikroskop snima slike prolaznih ćelija, i onda ih softverski obrađuje.

Napredak optike je takođe obezbedio da se uhvate detaljne 3D slike živih ćelija i da se čak vide pojedinačni proteinski molekuli unutar njih, koristeći laserske skening mikroskope. Ovi mikroskopi koji imaju odličnu rezoluciju su otkrili da se aktinski filamenti korteksa organizuju u paralelne snopove na ekvatoru ćelije prilikom mitoze, i čine da je tenzija koju oni stvaraju tu najveća, deleći ćeliju na dva kćerke ćelije.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Priyamvada Chugh je rođena u Delhiju u Indiji. Kao naučnik radeći u laboratorijama u Indiji, Nemačkoj i Ujedinjenom Kraljevstvu, istaživala je promene ćelijskog oblika, koristeći matične ćelije, ćelije voćne mušice i ćelije raka. Trenutno radeći kao urednik za naučni časopis, ona pokazuje strast u vezi sa komunikacijom u nauci i njenim radostima sa raznolikom publikom.


Review

Povezanost između ćelijskog oblika i funkcije je fundamentalno da bi se razumele biologija ćelija i tkiva. Ovaj tekst nudi pogled u svet ćelijske biologije, pokazujući koliko je važan oblik ćelije u razviću organizama, obliku i funkciji tkiva, i kao marker za bolesti.

Ovaj tekst bi bio koristan kao opširnije štivo o ćelijskoj biologiji za starije učenike. To može biti povezano sa posmatranjem ćelija i tkiva ispod svetlosnog mikroskopa. Uvođenje više molekularne biologije u školske programe višeg nivoa pruža priliku za uvođenje funkcija siRNK molekula koje su spomenute u članku. Konačno, učenici mogu da koriste ideju ćelijskog oblika kao markera za bolesti, tako što će formirati poster ćelijskih oblika i tipova, pokazati kako se menja oblik ćelije sa bolestima i kako se ovo koristi u dijagnostici.


Dr Shelley Goodman, profesor na koledžu primenjenih nauka, UK




License

CC-BY