Экструзии в первую очередь подвергаются эпителиальные клетки с недостатком АТФ

Экструзия (выдавливание) клеток — консервативный механизм поддержания числа клеток в эпителии, характерный как для губок, так и для человека. Во время экструзии живая клетка выталкивается за счет скоординированного базолатерального сокращения актомиозина выталкиваемой клетки и ее соседей. После экструзии клетка погибает из-за отсутствия сигналов, необходимых для выживания. Ранее исследователи из Великобритании и США показали, что экструзию активирует Piezo1, который сам активируется в ответ на скученность эпителиальных клеток. Piezo1 запускает канонический путь, основанный на секреции липида сфингозин-1-фосфата (S1P), который связывается с рецептором S1P2, сопряженным с G-белком, и активирует Rho-опосредованное сокращение актомиозина, необходимое для экструзии. Этот же путь S1P–S1P2–Rho отвечает за экструзию апоптотических клеток, гарантируя отсутствие зазоров в монослое. В новой работе те же авторы попробовали понять, какие именно клетки подвергаются экструзии.

Сначала исследователи предположили, что из эпителиального слоя удаляются клетки с наименьшей массой, но эта гипотеза не подтвердилась. Также экструзии не предшествовал всплеск концентрации Ca²⁺. Однако авторы отметили признаки снижения объема клетки или изменения ее формы. Действительно, около 70% клеток сжимаются перед экструзией, тогда как <0,03% клеток (8 из 750) сжимаются без экструзии. Неясно, почему оставшиеся 30% клеток не уменьшаются в объеме. Авторы предположили, что эти клетки подвергаются апоптотическому вытеснению. Интересно, что сжатие клетки, по-видимому, предшествует активации Piezo1.

Кратковременное изменение осмолярности провоцировало экструзию большого числа клеток. Однако даже при обработке гипертоническим раствором не все клетки сжимались одинаковым образом. Те клетки, объем которых уменьшился на 20%, удалялись из монослоя, на 11% — оставались в монослое.

Исследователи проверили, способны ли какие-то ингибиторы ионных каналов заблокировать экструзию. Они использовали библиотеку ингибиторов K⁺ и Cl⁻ каналов. Все протестированные ингибиторы значительно подавляли экструзию. А 4-AP, ингибитор потенциалзависимых каналов K_v1.1 и K_v1.2, блокирует также апоптотическую экструзию. Но только DCPIB (с zVAD-fmk) и 4-AP, которые нацелены на Cl⁻ канал SWELL1 и потенциалзависимые K⁺ каналы K_v1.1 и K_v1.2 соответственно, значительно блокировали сжатие клеток, вызванное гипертоническим раствором. Ингибиторы, блокирующие сигналы экструзии Piezo1, S1P и S1P2, не блокируют сжатие клеток в ответ на гипертонический раствор. Нокдаун каналов K_v1.1, K_v1.2 и SWELL1 предотвращали сжатие и экструзию.

Учитывая, что каналы K_v1.1 и K_v1.2, инициирующие сокращение и выталкивание клеток, являются потенциалзависимыми, авторы выяснили, может ли деполяризация мембраны инициировать выталкивание эпителиальных клеток. Действительно, клетки деполяризуются в среднем за 5 минут до сжатия и экструзии. Более того, несжимающиеся клетки не показывали признаков деполяризации. Активации выхода K+ оказалось недостаточно для индукции экструзии.

ENaC — высококонсервативный, механически активируемый канал, который вызывает деполяризацию посредством входа Na⁺ в клетку. Ингибирование ENaC амилоридом или подавление экспрессии любой из его субъединиц (α, β или γ) предотвращает как сжатие клеток под действием гипертонического раствора, так и экструзию. Скучивание клеток провоцирует вход Na⁺ в клетку зависящим от ENaC способом. Таким образом, скучивание клеток активирует зависимый от ENaC вход Na⁺, который вызывает деполяризацию мембраны, тем самым активируя потенциалзависимые калиевые каналы K_v1.1 и K_v1.2, отвечающие за сокращение клеток.

В конце авторы выяснили, какие именно клетки сожмутся и будут удалены. Na⁺/K⁺ АТФаза, которая необходима для реполяризации плазматической мембраны, отвечает за 30–70% всего потребления АТФ в клетке, в зависимости от типа клетки. Так что сжимаются клетки с низким уровнем АТФ. Кроме того, снижение уровня АТФ в клетке с помощью ингибитора митохондриальной АТФ-синтазы олигомицина А увеличило количество клеток, как сжимающихся, так и подверженных экструзии, по сравнению с контрольной группой. Добавление глюкозы к клеткам снижало скорость экструзии. Так что, вероятно, скучивание повышает уровень Na⁺, который не удаляется из клетки из-за недостатка энергии.

Для выполнения большинства функций органов и поддержания плотного монослоя эпителиальным клеткам необходимо работать сообща. Поэтому клетки, способные нарушить какой-либо из этих процессов, должны быть устранены в первую очередь. Эпителиальные клетки с достаточным количеством АТФ могут противостоять скучиванию, когда ENaC активирует вход Na⁺, используя Na⁺/K⁺ АТФазу для восстановления баланса своего мембранного потенциала. Однако скученные клетки с недостаточным уровнем АТФ для реполяризации мембран при активации ENaC не смогут откачивать Na⁺. Это повышение уровня Na⁺ в клетке активирует K_v1.1 и K_v1.2, вызывая сжатие клетки за счет выхода воды. Если клетка потеряет более 17% объема, активируется экструзия.

Один в поле не воин: как межклеточная адгезия помогает клеткам вытеснять конкурентов