Исследователи из Университета Вандербильта теперь обнаружили, как клетки кишечника создают эту специализированную структуру, которая имеет решающее значение для поглощения питательных веществ и защиты от патогенов. Результаты, опубликованные 10 апреля в журнале Cell, раскрывают роль молекул адгезии в сборке щеточной каймы и улучшают наше понимание кишечных патологий, связанных с наследственными и инфекционными заболеваниями.Патогены, разрушающие щеточную кайму кишечника, вызывают диарею и смерть — особую проблему в сообществах, не имеющих доступа к безопасной воде.«Без полностью функциональной щеточной каймы, имеющей достаточную площадь поверхности и поглощающую способность, вы не сможете выжить», — сказал Мэтью Тиска, доктор философии, доцент кафедры клеточной биологии и биологии развития и старший автор статьи о клетках. «Наши открытия в фундаментальной науке создают основу для размышлений о том, как контролировать морфологию поверхности кишечника и как ее восстанавливать».
Несмотря на важную роль бордюра из кисти, его сборка оставалась загадкой. Используя сканирующую электронную микроскопию, Тайска и доктор наук Скотт Кроули проследили формирование щеточной каймы с течением времени на модели культуры эпителиальных клеток.
Они обнаружили, что по мере того, как микроворсинки начинают прорастать, они прилипают друг к другу кончиками и образуют небольшие группы, похожие на типи. Со временем эти кластеры разрастаются и включают все больше и больше микроворсинок, пока вся поверхность клетки не будет покрыта микроворсинками одинаковой высоты.
«Это было действительно фундаментальное наблюдение, которое привело к остальной части проекта — эти микроворсинки выходят из поверхности клетки и слипаются на концах», — сказала Тиска.Когда исследователи внимательно изучили электронные микрофотографии, они увидели нитевидные звенья, соединяющие микроворсинки на их концах. Один из их сотрудников сделал снимок кишечной ткани и обнаружил те же связи — «сеть связей» между микроворсинками, сказал Тиска.
«Мы были воодушевлены идеей, что физическая адгезия между микроворсинками может обеспечить движущую силу для роста и плотного уплотнения границы кисти», — сказал Тиска.Исследователи подозревали, что белки семейства кадгеринов — кальций-зависимые адгезионные молекулы, которые позволяют клеткам слипаться, — могут опосредовать взаимодействие между микроворсинками.
Ранее они использовали протеомные технологии для определения всех белков в изолированной щеточной кайме. В список вошли два кандидата на адгезию кончиков микровилл: протокадгерин-24 и муцин-подобный протокадгерин.
В серии исследований команда продемонстрировала, что эти два кадгерина играют роль в слипании микроворсинок. Экспериментальное снижение протокадгерина-24 в модели клеточной культуры разрушило щеточную кайму. Микроворсинки все еще формировались, но они не были плотно упакованы и имели переменную длину.
«Всегда был вопрос, как микроворсинки достигают такой удивительно однородной длины», — сказал Тиска. «Теперь кажется, что решение простое — они связаны друг с другом на концах, и одно не может пройти мимо другого. Это действительно просто».В биохимических экспериментах исследователи обнаружили, что молекулы кадгерина взаимодействуют с двумя белками внутри микроворсинок — моторным белком, связанным с цитоскелетом клетки, и адаптерным белком, называемым гармонином. Эти связи были необходимы для локализации кадгеринов на кончиках микровилл.
Интересно, что другие исследователи изучали гармонин на предмет его роли в соединении выступов на волосковой клетке внутреннего уха — сенсорной структуре, участвующей в слухе. Генетические мутации, которые выводят из строя гармонин, вызывают синдром Ашера, форму наследственной слепоглухоты. Пациенты с синдромом Ашера также имеют плохо охарактеризованное заболевание кишечника.Tyska и его коллеги осознали, что мутации гармонинов могут нарушать комплекс адгезии кончиков микровилл кишечника и дестабилизировать границу щетинок.
У мыши, у которой отсутствует гармонин, модель болезни Ашера, они обнаружили плохо сформированную щеточную кайму в некоторых частях кишечника и отсутствие щеточной каймы в других областях.«Мы думаем, что пациенты с болезнью Ашера, вероятно, имеют проблемы с ультраструктурой щеточной каймы, которые вызывают проблемы с гомеостазом и приводят к кишечным симптомам», — сказала Тиска.«Сделать первое открытие с помощью электронной микроскопии, определить молекулярный механизм и затем связать его с болезнью человека — это научный хет-трик», — сказал он.
Tyska и его коллеги изучают, направляет ли подобный адгезивный комплекс сборку структур щеточной каймы в других эпителиальных тканях, таких как почки.