Клетки сохраняют свои механические свойства после удаления ядра
Российские ученые определили механические свойства клеток, из которых удалили ядро, и выяснили, что они выдерживают умеренные нагрузки не хуже, чем обычные клетки. Исследование поможет уточнить роль клеточного ядра и приблизиться к пониманию природы некоторых заболеваний, при которых изменяются его свойства. Результаты опубликованы в Journal of Nanobiotechnology.
Ядро – крупнейшая органелла клеток эукариот, и, помимо хранения и
воспроизведения наследственной информации, оно обеспечивает сопротивление
внешним механическим нагрузкам, которые могут влиять на процессы, протекающие в
ядре. С изменением механических свойств ядра связаны такие заболевания, как
прогерия, мышечная дистрофия и рак.
Твердость ядра ученые оценивают по-разному: одни исследования доказывают, что
это самая твердая часть клетки, другие – что оно относительно мягкое, по крайней
мере мягче структур цитоскелета («каркаса» клетки). Последние эксперименты
показывают, что все устроено немного сложнее: при небольших деформациях свойства
ядра определяются хроматином (комплекс ДНК и белков, основной материал
хромосом), а при сильной деформации в игру вступает ядерная ламина – довольно
жесткая белковая сеть, поддерживающая мембрану ядра изнутри. Кроме того,
жесткость ядра может зависеть от его взаимодействия с цитоскелетом и баланса
веществ внутри него и снаружи (в цитоплазме), от типа клетки, ее возраста и
состояния.
Авторы исследования решили проверить, насколько велика роль ядра в поддержании
формы и обеспечении механики самой клетки. Для этого существуют как косвенные
методы, так и прямой – сравнить свойства обычных клеток и клеток без ядра.
В экспериментах авторы работы использовали два типа клеток: фибробласты (клетки
соединительной ткани) крыс и клетки фибросаркомы (одного из типов опухолей
мягких тканей) человека. У части этих клеток ученые выделили ядра и получили
структуры трех видов: обычные клетки с ядром, клетки без ядра (цитопласты) и
изолированные ядра клеток, окруженные тонкой клеточной мембраной (нуклеопласты).
Наличие или отсутствие ядра в клетках подтвердили путем флуоресцентной и
конфокальной микроскопии – с их помощью можно с высокой точностью рассмотреть
внутреннюю структуру клетки, окрашенной флуоресцентной краской. Механические
параметры клеток (модуль Юнга) ученые измеряли с помощью атомно-силового
микроскопа в режиме силового картирования. Этот метод позволяет с высоким
разрешением измерить жесткость различных участков клетки путем продавливания ее
поверхности специальным зондом. Измерения проводили над всей клеткой, в том
числе в области над ядром или над тем местом, где оно должно быть у безъядерной
клетки.
Исследование показало, что удаление ядра не сделало клетки мягче, наоборот, их
жесткость даже немного выросла. Нуклеопласты же были намного мягче, чем
цитопласты и обычные клетки. Таким образом, ученые сделали вывод, что за
поддержание формы клетки отвечает главным образом не ядро, а сеть актинового
цитоскелета, по крайней мере в тех случаях, когда клетку деформируют не слишком
сильно.
«Традиционно ядру приписывают определяющую роль в функционировании клетки.
Многие представляют ядро не только как самую большую, но и как самую жесткую
структуру внутри клетки. Вопрос, на который хотел ответить мы – насколько же
ядро влияет на глобальную биомеханику клетки. К нашему удивлению, удаление ядра
не привело к существенному изменению жесткости клетки. Конечно, требуются
дальнейшие исследования, проверка данных для больших деформаций и воздействующих
сил. Но имеющиеся данные говорят, что даже при отсутствии ядра, организующего
центра клетки, она способна поддерживать механическую жесткость, необходимую для
сопротивления внешним механическим воздействиям», – пояснил первый автор статьи,
ведущий научный сотрудник отдела современных биоматериалов Сеченовского
университета Юрий Ефремов.
В исследовании приняли участие ученые Сеченовского университета и Федерального
научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» Российской
академии наук. Работа поддержана Российским научным фондом (РНФ), грант
№19-79-00354.