Межкле́точные взаимоде́йствия (межклеточные коммуникации), процессы, обеспечивающие обмен информацией между клетками, необходимый для интеграции их функций и формирования тканей.
Взаимодействие между отдельными клетками у одноклеточных организмов можно наблюдать, например, у бактерий, входящих в состав бактериальной плёнки. В многоклеточном организме межклеточные коммуникации обеспечивают качественный переход от клеточного уровня организации к тканевому. Взаимодействия вида «клетка – клетка» (cell-cell) и «клетка – внеклеточный матрикс» (cell-ECM) играют ключевую роль в существовании многоклеточных организмов. Ошибки взаимодействия приводят к нарушению гомеостаза организма, раковым, нейродегенеративным, эндокринным и другим заболеваниям.
Объекты и методы исследования межклеточных взаимодействий
Сегодня одними из наиболее интересных объектов для изучения межклеточных взаимодействий являются клетки иммунной системы, отличающиеся разнообразием видов и цитокинов (белков, обеспечивающих взаимодействие между ними), а также раковые клетки, коммуникации которых между собой и с окружающими клетками опосредованы широким перечнем меняющихся факторов. Исследования в области моделирования межклеточных взаимодействий позволяют понять принципы проектирования сигнальных систем и разработать новые методы иммунотерапии рака и ряда других заболеваний.
На смену традиционным подходам в изучении межклеточных взаимодействий в последние годы пришли методы микрофлюидики – отрасли, которая занимается изучением малых объёмов жидкостей и способов манипуляции ими. Микрофлюидные чипы позволяют работать с отдельными клетками и их группами в 2D- и 3D-среде, в том числе для исследования взаимодействий вида cell-ECM и получения ткане- и органоспецифических конструкций. Таким образом, речь идёт о создании модельных объектов, с помощью которых можно исследовать различные эффекты клеточных взаимодействий in vitro.
Виды межклеточных взаимодействий
Выделяют контактные и гуморальные межклеточные взаимодействия.
Контактные межклеточные взаимодействия
Разные типы тканей отличаются друг от друга по количеству, типу клеток и расстоянию между ними. Архитектура ткани у животных поддерживается белками, которые обеспечивают плотный контакт между клетками (адгезию) и межклеточные коммуникации. Ключевую роль среди молекул адгезии играют интегрины – трансмембранные белки животных, связывающие цитоскелет клетки с внешними структурами и сигнальными ферментами (протеинкиназами) и способные передавать информацию в обоих направлениях. Интегрины также отвечают за феномен контактного ингибирования движения, наблюдаемый у мигрирующих клеток и, в частности, определяющий морфологию тканей и органов. К белкам адгезии также относятся кадгерины (кальцийзависимые белки) и селектины (связываются с углеводными структурами клеточной стенки). Плотные адгезивные контакты могут влиять на форму клеток, изменение её функциональных характеристик и экспрессию генов. Межклеточные взаимодействия, возникающие при этом, определяют дифференцировку клеток в процессах эмбриогенеза и играют ключевую роль в поддержании тканевого гомеостаза у взрослых организмов.
Контактные межклеточные взаимодействия определяются также типом межклеточных соединений, в зависимости от которых может меняться вид медиатора и других транспортируемых веществ. Некоторые контактные межклеточные соединения подразумевают межклеточную коммуникацию даже на некотором расстоянии. Туннельные нанотрубки и цитонемы могут достигать длины в несколько диаметров клетки, позволяя участникам коммуникации обмениваться сигнальными белками и даже целыми органеллами (раковые клетки могут передавать митохондрии по туннельным нанотрубкам, что вместе с транспортируемыми таким же образом мРНК влияет на экспрессию генов стромальной клетки-получателя и активирует процессы озлокачествления).
Гуморальные межклеточные взаимодействия
Выделяют три основных вида межклеточных взаимодействий, осуществляемых при помощи медиаторов – сигнальных соединений:
Аутокринные коммуникации: цитокин (или иной медиатор) вырабатывается клеткой, имеющей рецептор к этому же соединению. Таким образом, клетка общается «сама с собой» и другими клетками того же типа (гомотипическое межклеточное взаимодействие). Например, макрофаги вырабатывают провоспалительные цитокины, обеспечивающие аутокринное стимулирующее действие на аналогичные клетки иммунной системы.
Паракринные коммуникации подразумевают участие, как минимум, двух типов клеток (гетеротипическое межклеточное взаимодействие): одни клетки вырабатывают цитокин (или иной медиатор), а другие клетки не умеют его производить, но имеют нужные рецепторы. Такой тип коммуникаций характерен для контроля работы клеток в пределах одного органа.
При юкстакринных коммуникациях одна из взаимодействующих клеток обладает связанным с мембраной лигандом, а другая – специфическим рецептором. Сигнальное соединение не вырабатывается ни одной из них, но, когда достигает их, запускает процесс межклеточного взаимодействия. Примером является взаимодействие между Т-клеточным рецептором и молекулами главного комплекса гистосовместимости на поверхности антигенпрезентирующих клеток.
Разнообразие и эволюция межклеточных коммуникаций
Все указанные виды коммуникаций могут сочетаться в различных комбинациях с участием разных типов клеток и нескольких видов медиаторов, что обеспечивает многоклеточным организмам широту возможных реакций. Примером эффективной межклеточной коммуникации, сочетающей в себе контактные и гуморальные способы взаимодействия, является нервный синапс – область передачи сигнала между двумя нейронами. Иммунная система у высших животных в процессе обеспечения иммунного ответа формирует также иммунологические синапсы (супрамолекулярные активирующие кластеры), обеспечивающие взаимодействие между лимфоцитами и клетками-мишенями (антигенпрезентирующими клетками).
Клетки взаимодействуют между собой в пределах локальной ниши, размер которой определяется диффузной способностью медиатора. Например, для цитокинов и иммунных клеток размеры этой ниши составляют 30–150 мкм. Для взаимодействия отдельных ниш существуют определённые механизмы, в основе которых могут лежать количество простимулированных клеток в данной области (например, регенерация волосяных фолликулов у мышей при потере заданного количества волосков), продолжительность межклеточной коммуникации (например, длительность существования связи между пептидами комплекса гистосовместимости и рецепторами Т-клеток) и другие факторы.
Следующим этапом развития коммуникаций у многоклеточного организма стало формирование эндокринной системы, благодаря которой появилась возможность передавать медиаторы на большие расстояния, запуская сходные процессы в разных удалённых системах и органах.