Способность клеток воспринимать и отвечать на сигналы из окружающей среды – фундаментальный признак жизни. У многоклеточных организмов клетки с различными функциями обмениваются широким разнообразием сигналов. В основе взаимодействия сигнала и рецептора лежит взаимодействие, которое подчиняется общим закономерностям взаимодействия лигандов и белков [182; 238].
Процесс интеграции клеток лежит в основе существования организма как целостной системы. Основой такой координации служат межклеточная и внутриклеточная передача сигнала [181; 238].
Коллективом ученых была исследована желеобразная эмбриональная субстанция пупочного канатика – источника эмбриональных стволовых клеток, пептидов, сигнальных молекул, факторов роста, фосфолипидов, энзимов, гликозаминогликанов, среди которых был, в частности, выделен полипептид, стимулирующий деление стволовых клеток. В России были проведены исследования действия пептида Wharton Jelly Peptide P199 на синтез сигнальных молекул, необходимых для активации пролиферации стволовых клеток кожи. Было доказано, что данный полипептид достоверно увеличивает в культуре клеток кожи человека количество цитокинов и ростовых факторов, создавая тем самым тот самый «каскад» сигнальных молекул, который необходим для активации процессов пролиферации и дифференцировки стволовых клеток. Однако в исследовании не указывались конкретные сигнальные молекулы, посредством которых осуществляется взаимодействие клеток между собой и последующее их деление [70].
Прежде чем отметить основные функции сигнальных молекул, необходимо уточнить терминологию. Сигнал – материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Клеточный рецептор – молекула (обычно белок) на поверхности клетки, клеточного органоида или в цитоплазме клетки, специфически реагирующая изменением своей пространственной конфигурации на присоединение к ней молекулы определенного химического вещества и передающая этот сигнал внутрь клетки или клеточной органеллы, обычно при помощи механизма вторичных посредников или с помощью трансмембранных ионных токов. Химическое вещество, специфически соединяющееся с рецептором, называется лигандом этого рецептора. Рецептор обуславливает реакцию клетки на сигнальную молекулу. Одна и та же сигнальная молекула может вызывать разные реакции клетки мишени при действии на разные типы своих рецепторов. Рецептор может связываться с разными лигандами и преобразуется в клеточный ответ [168].
Клетки обладают способностью регулировать количество рецепторных молекул. Up – regulation – количество рецепторов увеличивается при длительной экспозиции низкой концентрации сигнальных молекул. Down – regulation - количество рецепторов уменьшается при длительной экспозиции высокой концентрации сигнальных молекул.Трансдукция сигнала – передача сигнала от мембранного рецептора на эффекторную область клетки осуществляется двумя механизмами: системами вторичных посредников и аутофосфорилированием рецепторов и/или фосфорилированием внутриклеточных белков - субстратов. Взаимодействие сигнала и рецептора характеризуется прежде всего высокой специфичностью, которая обеспечивается комплементарностью между структурой сигнальной молекулы и активного центра рецептора [168]. Сигнальная молекула комплементарна активному центру рецептора; другие сигналы не комплементарны. Кооперативность во взаимодействии лиганда и рецептора дает в результате большие изменения в активности рецептора при минимальной концентрации лиганда [168].
Вторая важная особенность механизмов передачи сигнала в клетках мишенях - усиление (амплификация) сигнала. Конечный ответ клетки на сигнал определяется числом исполнительных элементов клетки (ферментов, структурных белков, переносчиков и т.д.), на которые воздействует сигнал, причем, как правило, соотношение непосредственный регулятор: исполнительный элемент равняется 1:1. Если бы сигнальные молекулы прямо взаимодействовали с исполнительными элементами, то это потребовало бы огромных количеств сигнальных молекул, перемещаемых по крови от места их образования к клеткам мишеням. Выход из этого положения - в создании механизмов усиления сигнала, с привлечением специальных ферментов и молекул, получивших название вторичных посредников. Еще одна важная особенность в механизме передачи сигнала в клетке мишени – «выключение» действия сигнала. Это достигается разными приемами, включенными в механизм передачи сигнала. Активирование рецептора при взаимодействии с сигнальной молекулой одновременно включает механизм обратной связи, который отключает рецептор (например, путем фосфорилирования молекулы рецептора) или удаляет рецептор с поверхности клетки (путем эндоцитоза) или используются специальные белки, прерывающие передачу сигнала (G-белки) и т.д. Еще одна особенность систем преобразования сигналов - интеграция, способность системы, получая многочисленные и разнообразные сигналы, выдавать интегрированный ответ, соответствующий потребностям клетки или организма. Различные пути передачи сигналов перекрещиваются друг с другом на нескольких уровнях, создавая множество взаимодействий, что обеспечивает гомеостаз клеток и организма [238].
Передача сигнала рецепторами, связанными с G-белками – это семейство гуанин – нуклеотидсвязывающих белков, передающих сигнал с мембранных рецепторов на определенные эффекторные молекулы в клетке. 80% первичных мессенджеров (гормоны, нейротрансмиттеры, нейромодуляторы) взаимодействуют со специфическими рецепторами, которые связаны с эффекторами через G-белки) проходит с участием вторичных посредников. Механизм проведения информационного сигнала с участием рецепторов, связанных с G-белками, состоит, по крайней мере, из 5 этапов. Первый этап передачи сигнала включает распознавание и связывание сигнальной молекулы специфическим рецептором плазматической мембраны клетки-мишени. Второй этап представляет собой сложный процесс переноса информации с внешней поверхности плазматической мембраны клетки на внутреннюю, что приводит к G-белок-зависимой активации мембрано-связанных ферментов (например, аденилатциклазы или фосфолипазы С). Третий этап этого многоступенчатого каскада сопровождается образованием и повышением уровня в цитозоле одного или нескольких низкомолекулярных внутриклеточных посредников (цАМФ, цГМФ, ДАГ, ионы Са2+ и т.д.). Повышение уровня низкомолекулярных внутриклеточных посредников внутри клетки инициирует четвертый этап проведения внешнего регуляторного сигнала – подключение ферментов, активность которых непосредственно регулируется низкомолекулярными внутриклеточными посредниками. Это, как правило, протеинкиназы, которые в свою очередь (пятый этап проведения регуляторного сигнала) оказывают влияние на активность ключевых клеточных ферментов, определяющих суть ответной реакции клетки на полученный ею извне конкретный информационный сигнал. Активированные каталитические субъединицы некоторых протеинкиназ (например, цАМФ – зависимых) могут оказывать свое влияние непосредственно в цитозоле или транслоцироваться из цитоплазмы в ядро при различных функциональных состояниях клетки. Результатом внутриядерных процессов может быть активация или торможение клеточного цикла, а также синтеза белковых молекул. В каскадном механизме передачи сигнала заложен механизм усиления сигнала. На каждом этапе каскадного механизма усиления сигнала есть свои выключатели (G-белки). Эффект одного сигнала может модулироваться влиянием другого сигнала на ту же клетку [181; 238].
Изучение стволовых клеток привело к утверждению концепции «стволовой ниши». Понятие «ниши» предполагает сочетание клеточного микроокружения и внеклеточного матрикса, специфичное для определенного типа стволовых клеток, которое может служить местом их трансформации. В нише продуцируются химические факторы, регулирующие пролиферацию, селекцию и дифференцировку клеток. По современным представлениям, «стволовая ниша» представляет особую микросферу, которая включает элементы самой клетки, окружающего матрикса, то есть, ее клеточной «архитектуры». По-видимому, именно окружающая среда обеспечивает сохранение трансформирующихся клеток и регулирует этапы дифференцировки клеток [117: 238].
Формирующиеся в стволовой нише клетки могут рассматриваться по трем категориям. Первая группа – клетки, которые уже в начальной стадии подвергаются постмитотической гибели. Большая часть вновь образованных клеток подвергается апоптозу, своеобразной «выборке» новой популяции. Значение второй группы клеток, не подверженных апоптозу или дифференцировке, в формировании «ниши» – специализированного микроокружения, которое определяет дальнейшую судьбу клеток. Третью группу клеток составляют молодые структуры, которые, выживая, становятся зрелыми клетками [117].
Ещё в 1978 году Schofield отметил, что самые молодые клетки – те, то находятся в нише исходно, с раннего постнатального периода. Свободные стволовые клетки, которым не хватило места в нише, чувствительны к дифференцировочным стимулам. Однако, если клетка из пула стволовых клеток снова найдет нишу, дифференцировка блокируется, она консервируется на данной стадии созревания, что снижает ее способность к самоподдержанию при новом выходе из ниши. Т.е. чем дольше клетка находится вне ниши, тем больше ее возраст и вероятность дифференцировки в клетки-предшественники [117].
Чертков И.Л., Гуревич О.А. ещё в 1984 году дополнили гипотезу: 1) созревание стволовой клетки определяется временем ее нахождения вне ниши; 2) ниша представляет собой клетку -кормилицу, несущую на себе группу стволовых клеток; 3) в заполненной нише стволовые клетки делятся каждые 3-5 сут, в случае убыли клеток из ниши темп регенерации возрастает до полного ее заполнения; 4) в период митоза стволовая клетка теряет контакт с другими клетками, что увеличивает вероятность ее выхода из ниши.
Некоторые ниши стволовых клеток уже давно известны. Это стволовые клетки эпителия кишечника находятся в нижней части крипт. В волосяном фолликуле стволовые клетки локализуются под сальной железой. Стволовые клетки роговицы – в области лимба [181; 238].
Ниши хорошо снабжены кровеносными сосудами и нервными окончаниями и, кроме того, они обеспечивают физическую защиту стволовых клеток [238]. Например, эпидермальные стволовые клетки и стволовые клетки роговицы защищены от действия ультрафиолета благодаря сильной пигментации, стволовые клетки эпителия тонкого кишечника погружены в крипты, гемопоэтические клетки локализованы в медуллярной полости некоторых костей [238].
«Ниша» для эпителиальных стволовых клеток эпидермиса – имеет конечные размеры. Эпидермис мыши организован в виде серий эпидермальных пролиферативных единиц. Каждая ЭПЕ состоит из группы клеток, содержащих пролиферирующие и дифференцирующиеся клетки [238]. В центре каждой обособленной группы базальных клеток находится одна, которая может быть отнесена к категории стволовых. Она асимметрично делится и даёт (после 4-кратного деления) клон из 9-11 базальных клеток. Свойства стволовой клетки сохраняются при контакте с базальной мембраной, возможно, играющей роль ниши. Утрата этой связи ведёт к образованию транзитного пула стволовых клеток с терминальной дифференцировкой клеток [181; 238]. Такие группы клеток распределяются в виде гексагональных клеточных комплексов, и их потомки с периферии комплекса перемещаются в выше расположенные отделы, вплоть до ороговевающего слоя [117].
Если ранее считалось, что некоторые препараты могут быть универсальными при лечении какого-либо заболевания, то современные биомедицинские исследования свидетельствуют о том, что эффективность применения того или иного лекарственного средства зависит от генетических и эпигенетических факторов, среди которых ключевое место занимают сигнальные молекулы, осуществляющие широкие межклеточные взаимодействия; нарушения последних лежат в основе патогенеза многих заболеваний. Таким образом, исследование индивидуальных особенностей экспрессии сигнальных молекул в органах и тканях является перспективным и многообещающим направлением для разработки эффективных методов профилактики, диагностики и лечения различной патологии.
Верификация и оценка экспрессии сигнальных молекул и их взаимодействий в различных тканях и органах открывает новые многообещающие перспективы для своевременной диагностики и оптимизации лечения практически всех известных заболеваний.
Смена покровов осуществляются за счет постоянно протекающих процессов пролиферации и дифференцировки стволовых клеток, расположенных на базальной мембране эпидермиса и по границе волосяных фолликулов. Стволовые клетки базального эпидермиса поддерживают пул кератиноцитов, клетки волосяного фолликула являются мультипотентными, способными дифференцироваться как в кератиноциты, так и в фибробласты и другие клетки дермы.
Основной функцией стволовых клеток является физиологическая замена отслуживших дифференцированных клеток кожи и восстановление клеточного пула. Стволовые клетки можно назвать «машинами регенерации», но для их активации необходимы цитокины, факторы роста и другие сигнальные молекулы, синтез которых регулируется как стволовыми клетками, так и их микроокружением – «нишей». Клеточное окружение – «ниша» – обеспечивает ключевые инструктивные сигналы для выбора «судьбы» клеток – сохранять идентичность стволовой клетке либо дифференцироваться в зрелые специализированные клетки [117].
В коже вследствие клеточного обеднения и снижения синтетической активности клеток с возрастом развивается «дефицит» цитокинов, ростовых факторов, сигнальных, регуляторных молекул. Количество синтезируемых клетками информационных сигнальных молекул становится недостаточным для активации пролиферации стволовых клеток. Стволовые клетки не работают, не активизируются и не пролиферируют без активного микроокружения, то есть без достаточного количества ростовых факторов, цитокинов и сигнальных молекул [117].
В это связи, мысль о внесении в рану кожи «внешнего» стартового сигнала, для того чтобы дать толчок к началу пролиферации и амплификации клеток росткового пула, выглядит прогностически оправданной и перспективной в качестве дополнения к топической терапии эрозивных и язвенных поражений и повреждений кожи.
