Daiva Baltriukienė, Jonas Rubikas. Ląstelių kalba

Bendradarbiaudami su VU Gyvybės mokslų centru pradedame spausdinti straipsnių ciklą „Gamtos mokslai – humanitarams“

Dvi ląstelės – bakterija ir gyvūno ląstelė – tarsi sesutės, kilusios iš vieno protėvio, bet atsiskyrusios labai labai seniai. Atsiskyrė ne iš karto, keitėsi po truputį, daugėjo vienoms vienokių, kitoms kitokių pasikeitimų (mutacijų), skirtingos gyvenimo sąlygos dar labiau skyrė sesutes, o gal ir skirtingas „charakteris“ (kaip dabartinėse mūsų šeimose) davė pradžią daugybei skirtingų palikuonių, tarsi šakų ant to paties medžio, tačiau brandinančių skirtingus, bet kartu ir panašius vaisius. Vieni vaisiai maži, atrodo, nesudėtingi (vadinamieji prokarotai –­ bakterijos), kiti – sudėtingesni, gausios įvairovės (tai eukariotai, aukštesnieji – vienaląsčiai ir daugialąsčių ląstelės).

Užlipkime, kaip darė evoliucija, to medžio šakomis į pačią viršūnę ir pa­žvelkime, kuo tapo mūsų sesutės, kuo jos panašios ir kuo skiriasi. Skirtumų daug, bet vienas bruožas išliko – tai plepumas, tiesa, savitas kiekvienos šakos šeimai. Ląstelė randa su kuo plepėti: kalbasi su savim kaip medituojantis poeta arba, dairydamasi aplinkui, kalbasi su savo vaikais, o ypač su kaimynėmis. Nes tik per kalbą, t. y. palaikant ryšį su aplinka, užtikrinamos dvi būtinos sąlygos ląstelei ir apskritai gyvybei išlikti – tai dauginimasis ir medžiagų apykaita.

Ląstelių įvairovė didžiulė, tad, atrodytų, ir esminiai vyksmai bei ryšio būdai turėtų būti labai skirtingi. Tačiau taip nėra – ląstelės išlaiko esmės tęstinumą, o skirtumai yra tik, anot nūdienų seimūno, procedūroje.

Kaip ląstelė tai atlieka?

1 pav. Bakterijos Helicobacter pylori, augančios ant  žmogaus skrandžio epitelio ląstelių. Šios bakterijos aptinkamos skrandžio gleivinėje, sukelia skrandžio uždegimą ir skatina žaizdų vystymąsi skrandyje. Nuotraukos iš fineartamerica.com

II

Pasekime vienos iš sesučių – bakterijos – gyvenimą. Bakterijų yra nesuskaičiuojama gausybė, bet pradžioje aptarkime pačias paprasčiausias, kurioms nereikia ypatingos aplinkos, pakanka mineralinių druskų – Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe ir kitų elementų, esamų žemėje ir vandenyje; anglies, būtinos baltymų sintezei, jos gauna iš oro (CO2) ar randa ištirpusios vandenyje. Joms gyvenimą palengvina aplinkoje esantys angliavandeniai (pvz., gliukozė) ir amino rūgštys, kurios arba pačios prasiskverbia per sienelę, arba yra aktyviai įnešamos į ląstelę. Šiame procese svarbūs baltymai – permeazės, leidžiančios toms medžiagoms patekti į ląstelės vidų. Yra bakterijų, kurių aplinka – aukštesniųjų organizmų audiniai, organai ar ląstelės (1 pav.). Vienos jų padeda organizmui, pvz., žmogaus žarnyno lazdelė, kitos kenkia, sukelia ligą, pvz., meningito, gonorėjos, vidurių šiltinės sukėlėjai.

Tačiau kaip bakterinė ląstelė gyvena?

Evoliucijos aušroje, susidarius ląstelei, kartu atsirado dvigubo, tarpusavyje glaudžiai susijusio vidaus ir išorės ryšio sistemos. Apie padėtį aplinkoje bakterija sužino, jaučia per išorinėje membranoje esančius baltymus – imtuvius – jutimo kinazes, jos aktyvina reikalingus kitus baltymus, lemiančius informacijos raišką, t. y. tam tikrų genų nurašymą (2 pav.). Kokius baltymus koduojantys genai bus nurašyti – reguliuojantys medžiagų apykaitą, ląstelės dauginimąsi ar kt., – priklauso nuo gauto signalo. O signalo esmė –­ baltymo aktyvinimas, susijęs su didesniais ar mažesniais jo erdvinės struktūros pasikeitimais, kai tam tikroje vietoje prie aminorūgšties (dažniausiai serino, histidino, treonino, aspartato arba tirozino) prisijungiama fosforo rūgšties liekana – PO3 (toliau žymima raide P). Jei to baltymo aktyvumo nereikia (pasikeitė aplinkos sąlygos, nėra aplinkos stimulo), kiti baltymai (fosfatazės) pašalina P ir baltymas grįžta į savo pirminę būseną. Tad savybė neaktyvus–aktyvus–neaktyvus priklauso nuo prijungtos ar pašalintos P. Taip vyksta baltymų, kartu ir visos bakterijos, veiklos reguliavimas.

Ląstelėms besidauginant keičiasi ap­linka – terpė: kinta terpės pH (terpė arba rūgštėja, arba šarmėja), mažėja mitybinių medžiagų, kaupiasi apykaitos produktų, išskiriamos savitos mažos masės molekulės. Pavadinkime jas bakterijų kiekio jutikliais – BKJ. Atrodytų, bakterijos signalizuotų viena kitai, kad mes esame netoli, viskas gerai, dalykis drąsiai arba kad mūsų jau per daug, nustokime dalytis. Mikro­biologai yra pastebėję, jog bakterijos noriau, aktyviau dalijasi (vidutiniškai kas 30 min.), kai pradinėje kultūroje jų yra kiek daugiau, o pasėta viena bakterija terpės vandenyne jaučiasi nejaukiai ir pirmieji dalijimaisi vyksta lėčiau. Kai bakterijų terpėje prisidalija apie 10–100 mln. (107–108) viename mililitre, kultūros (ir kiekvienos bakterijos) gyvenimas keičiasi. Ląstelė išsyk gauna signalų apie mitybinių medžiagų išsekimą, rūgštingumo pasikeitimą ir susikaupusį BKJ kiekį. Šie signalai veikia ląstelės sienelėje esančias jutimo kinazes, kurios, prisijungusios P, toliau įjungia savotišką signalų perdavimo tinklą, lemiantį apsauginės formos –­­ sporos – susidarymą. Papildžius terpę maisto medžiagomis, bakterijos tuo pat būdu gauna signalą, kad kol kas gaminti sporų nereikia...

BJK, kol jo yra nedaug, gali atlikti ir aktyvinančio signalo vaidmenį. Taip signalų sistema tarsi vienija bakterijas kultūroje.

O kaip yra gamtoje, tarkim, vandens telkinyje? Čia santykinai mažas bakterijų tankis, blogos (ne visuomet) mitybinės sąlygos, kintanti temperatūra ir kiti veiksniai riboja bakterijų tokį aktyvų, kaip kolboje, dauginimąsi. Vis dėlto Žemės vandenyse knibždėte knibžda įvairiausių bakterijų, tad aplinkos ir ląstelių signalų sistema padeda tai įvairovei išgyventi. Ilgiau ir atidžiau tyrinėdami vandens telkinį matysime, kad vienų bakterijų daugėja, kitų mažėja, po kurio laiko padaugėja trečiųjų, o pirmųjų skaičius pradeda mažėti. Nuolat vyksta bakterijų (ir kitų mikroorganizmų) populiacijų kaita. Įvairios bakterijos naudoja skirtingas mitybines medžiagas, o vienų apykaitos produktus panaudoja kitos bakterijos. Taip tarsi banguodamos bakterijų populiacijos išgyvena kintančioje aplinkoje.

2 pav. Signalo perdavimo esmė: pirminei signalinei molekulei prisijungus prie imtuvio (receptoriaus), šis yra aktyvinamas. Aktyvus imtuvis toliau aktyvina kitus viduląstelinius signalinio kelio baltymus, kurie tampa aktyviais fermentais ir, savo ruožtu, aktyvina genų nurašymo veiksnius. Tai lemia ląstelės atsaką į gautą signalą.

III

Ką reiškia informacija ir signalai aukštesnės organizacijos, t. y. eukariotų, ląstelei, kuri gali gyventi kaip pavienis vienaląstis organizmas arba kaip viena santykinai savarankiška didelio sudėtingo daugialąsčio organizmo dalelė? Bakterijų kolonijos gyvenimas parodė: individai tarsi paklūsta bendruomenei – vienos pasiaukoja, kad kitos išgyventų; reikalingas ne individas, o populiacija, kad rūšis, kultūra išliktų. Bendruomeniškumas būdingas ir eukariotinėms ląstelėms. Tai ypač ryšku stebint gleivūno Dictyostelium discoideum populiacijos dauginimąsi. Šie vienaląsčiai organizmai pasižymi savotišku socialiniu gyvenimu: standžios mitybinės terpės paviršiuje augančios gleivūno ląstelės sudaro veją (3 pav.). Tam tikru metu, sumažėjus terpėje mitybinių medžiagų, kažkurioje vejos vietoje atsiranda savotiškas centras, kurio link ląstelės pradeda judėti ir sudaro gauburį, vaisinį kūną, o jo viršūnėje esančios ląstelės tampa sporomis, sugebančiomis išgyventi netinkamą laikotarpį; ląstelės, sudarančios vaisinio kūno kotą ir pagrindą, žūva. Atrodytų, didžiulė populiacijos dalis aukojasi tam, kad mažoji dalis išgyventų ir duotų pradžią naujai gleivūno populiacijai.

Pažvelkime, kaip ląstelės elgiasi aukštesniuosiuose – žmogaus ar gyvūno – organizmuose. Čia didžioji dalis ląstelių visą laiką yra susijusios su kaimynėmis. Sudarydamos audinius ir organus, jos turi atrankiai sąveikauti ir su panašiomis į save, ir su skirtingomis ląstelėmis. Ląstelės geba atpažinti kitų ląstelių paviršines struktūras ir įvertinti, su kuriomis gali sąveikauti, o su kuriomis – ne. Su tomis, su kuriomis sąveikauti gali, ląstelės sukimba plazmos membranos baltyminėmis struktūromis – ląstelių jungtimis. Šios padeda ląstelės veiklai (širdies raumeniui susitraukinėjant), apsikeičiant cheminėmis medžiagomis (specialiais kanalais), o kartais tarsi barjeras jų nepraleidžia (iš kraujo patekti į smegenų ląsteles); jungtys svarbios perduodant signalą nuo membranos į branduolį. Netekusios įprastinių kontaktų su kaimynėmis, ląstelės paprastai žūva. Kita vertus, sutrikus tam tikrų ląstelių jungtis sudarančių baltymų veiklai, ląstelės pasklinda organizme ir sergant vėžiu atsiranda metastazių, pvz., sergant odos vėžiu vienos rūšies ląstelių jungčių – desmosomų – visai nerandama.

Žmogaus organizmą sudaro 1013 ląstelių, kurių kiekviena gauna informaciją iš ją supančios aplinkos bei kaimyninių ląstelių. Vos keletas pasidalijusių ląstelių jau keičiasi signalais, pradeda nenutrūkstamą visą gyvenimą trunkantį pokalbį su kaimynėmis. Ląstelės sintetina ir išskiria į aplinką daugelį įvairių molekulių, kurių paskirtis, sąveikaujant su ląstelės sienelės paviršiuje esančiais imtuviais, pranešti apie padėtį aplinkoje ir kaimynus. Ląstelė turi atsirinkti jai reikalingą informaciją ir aktyvinti viduląstelinius signalo perdavimo kelius, reguliuojančius beveik visus biologinius procesus. Suardžius signalo perdavimo kelią, pvz., atsiradus pakitimams (mutacijoms) genuose, koduojančiuose signalo perdavimo kelio baltymus, stip­riai sutrinka ląstelės veikla, o blogiausiu atveju ląstelė gali virsti vėžine.

3 pav. Gleivūno Dictyostelium discoideum gyvenimo ratas: didžiąją gyvenimo dalį gleivūnas praleidžia kaip vienaląstis organizmas (1) , bet tam tikru metu sumažėjus aplinkoje mitybinių medžiagų, atsiranda centras (2–3), kurio link pradeda judėti ląstelės ir sudaro gauburį (4), o vėliau ir šliužą primenančią struktūrą (5–6), kuri jau gali judėti kietu paviršiumi. Galiausiai susidaro vaisinis kūnas (7), kurio viršūnėje esančios ląstelės tampa sporomis

Kaip ląstelė supranta, kas jai yra sakoma? Tarpląstelinėje erdvėje gausu įvairių molekulių (patenkančių iš aplinkos ar išskiriamų kaimyninių ląstelių). Tai pirminės signalinės molekulės: baltymai, amino rūgštys, riebiųjų rūgščių dariniai ir kt. Tik maža dalis šių signalinių molekulių yra tirpios riebaluose medžiagos ir gali prasiskverbti pro plazminę membraną. Tačiau dauguma pro plazminę membraną nepraeina, o sudaro kontaktus su imtuviais, kurių gausų ląstelių paviršiuje. Šie perima sig­nalus ir pasiunčia juos reikiamo vyksmo vieton.

Imtuviai yra gana stambūs baltymai, vieną ar kelis kartus perveriantys ląstelės išorinę membraną (4 pav.). Vienas imtuvio galas tarsi kyšo iš ląstelės paviršiaus (su juo ir susiriša pirminė signalinė molekulė), kitas yra membranos vidiniame paviršiuje ir prieinamas citoplazmos signalo perdavimo baltymams. Dažnai citoplazminė imtuvio dalis pasižymi fermentiniu aktyvumu ir gali pati save aktyvinti. Kartais imtuvio dalis, esanti vidinėje plazminės memb­ranos pusėje, prijungia viduląstelinius baltymus, pasižyminčius fermentiniu aktyvumu.

Signalo kelias atrodytų maždaug taip: kokia nors signalinė – hormono, augimo veiksnio ar kitokia – molekulė suranda ląstelės paviršiuje savitąjį imtuvį, sudaro sąveiką ir jį aktyvina. Kaip ir bakterijose, keičiasi imtuvio erdvinė struktūra, o dažnai reikalinga ir sąveika su kaimynu (tokiu pačiu imtuviu). Aktyvus imtuvis toliau perduoda signalą kitiems viduląsteliniams (esantiems citozolyje) signalinio kelio baltymams pernešdamas vieną ar kelias fosforilines grupes (P) nuo ATF ant baltymo. Už tai atsakinga didelė baltymų grupė, siejanti apie 2000 narių – proteinkinazes. Toliau, kaip ir bakterijų atveju, įjungiama signalo perdavimo kaskada, kai P tarsi peršoka nuo vieno baltymo ant kito, kol galų gale pasiekia ląstelės branduolį. Čia yra aktyvinamas atitinkamų genų, atsakingų už ląstelės judėjimą, dauginimąsi, diferenciaciją, nurašymas. Signalo perdavimo kelyje labai svarbi pusiausvyra tarp baltymų aktyvinimo (kinazių veiklos) ir jų išaktyvinimo (fosfatazių veiklos). Esant neaktyviai fosfatazei, baltymas gali būti aktyvus ilgiau, negu reikia ląstelei: proteinkinazė aktyvins baltymus nesustodama ir iškreips signalą. Tai gali lemti, pvz., nepertraukiamą ląstelės dauginimąsi, t. y. vėžio vystymąsi.

Perduodant signalą, be ląstelės paviršiaus imtuvių taip pat dalyvauja ląstelių viduje esantys citozoliniai, arba branduolio, imtuviai – neaktyvūs nurašymo veiksniai. Su jais susiriša riebaluose tirpios signalinės molekulės (steroidiniai bei tiroidiniai hormonai, retinoidai ir vitaminas D3), svarbios medžiagų apykaitai, organų veiklai palaikyti, raidai, ląstelių skyrimuisi. Signalinės molekulės aktyvuotas branduolio imtuvis jungiasi ne su bet kokia, o tik su jam savitąja DNR sritimi, nuo kurios ir prasideda reikiamų genų nurašymas.

Taigi nuolatinis ląstelių bendravimas yra neatsiejama jų gyvenimo rato dalis. Ląstelės kritiškai įsiklauso, kas joms sakoma, ir jautriai, įžvalgiai į tai reaguoja. O informacijos ir signalo santykį bet kuriuo ląstelės (kultūros) gyvenimo etapu galima įvertinti sulyginus viso genomo sekas (galimus genus) su transkriptomos (dabar nurašomų genų visuma) ir proteomos (dabar ląstelėje esantys baltymai) duomenimis. Proteomoje galime nustatyti, pvz., visus dabar fosforilintus baltymus. Taip sužinosime visos ląstelės aktyvumo reitingą. Šias žinias mokslininkai pasitelkia ieškodami naujų, tam tikroms ligoms būdingų žymenų, kurie gali palengvinti ankstyvą jų diagnozavimą.

4 pav. Imtuvio (receptoriaus) išsidėstymas eukariotinės ląstelės membranoje ir jo aktyvinimas prisijungus signalinei molekulei. Nuotrauka iš  Peckys et al., Microsc. Microanal. 2014, 20(2):346-65

Draugai