Komórki w organizmie, takie jak makrofagi i osteoklasty, mają niezwykłą zdolność do przekształcania się, aby wykonywać podstawowe zadania. Makrofagi to komórki odpornościowe, które bronią organizmu, połykając szkodliwe drobnoustroje lub oczyszczając umierające komórki, podczas gdy osteoklasty to duże komórki kostne, które pomagają utrzymać zdrowe kości poprzez rozkład starej tkanki kostnej. Tajemnica tego, jak komórki te tak szybko zmieniają swoją formę, od dawna fascynuje naukowców. Nowe badanie przeprowadzone przez dr Jiro Takito i dr Naoko Nonakę z Uniwersytetu Medycznego Showa pokazuje, że kluczem mogą być specjalne wzorce strukturalne zwane falami aktynowymi. Ich prace opublikowano w International Journal of Molecular Sciences.
Dr Takito wyjaśnił motywację badań: “Fagocyty pełnią swoje funkcje, organizując nowe struktury subkomórkowe. Podczas fagocytozy makrofagi internalizują i degradują patogeny i komórki apoptotyczne, tworząc miseczkę fagocytarną i fagosom (ryc. A). Osteoklasty resorbują kość, tworząc strefę uszczelniającą i pomarszczoną granicę na błonie brzusznej”. Fagocytoza to proces, w którym komórki połykają i trawią niechciany materiał, a komórki apoptotyczne to po prostu umierające komórki, które organizm musi usunąć.
Kiedy makrofagi napotykają obcy materiał w dwuwymiarowym środowisku, generują poruszające się fale zbudowane z aktyny, białka strukturalnego, które pomaga kształtować komórkę (ryc. B). Fale te falują po powierzchni, reorganizując korę aktynową i przebudowując endoszkielet błony. W miarę przemieszczania się fale oddzielają wewnętrzny obszar powierzchni komórki od zewnętrznej krawędzi, tworząc strefy, które mogą przyjąć nowe role (ryc. C). Mówiąc prościej, fale te tworzą na powierzchni komórki nowy aparat, który lepiej nadaje się do wychwytywania i trawienia tego, co komórka musi usunąć.
Naukowcy zwrócili uwagę na uderzające podobieństwo między strukturami zbudowanymi przez te fale aktynowe w makrofagach i strukturami utworzonymi w osteoklastach podczas odnowy kości. Strefa uszczelniająca w osteoklastach, czyli gruby pierścień umożliwiający im przyczepienie się do kości, jest bardzo podobna do strefy zwężającej w makrofagach. Obydwa opierają się na małych strukturach komórkowych zwanych podosomami, które są maleńkimi punktami mocowania, które pomagają komórkom przylegać do powierzchni i odpychać się od niej, a także na stale zmieniającej się sieci aktynowej. Sugeruje to, że pomimo wykonywania bardzo różnych zadań – obrony immunologicznej a przebudowy kości – oba typy komórek mogą opierać się na tej samej podstawowej zasadzie.
Dr Takito i dr Nonaka omawiają, w jaki sposób te struktury łączą się w warstwy, zaczynając od małych, szybko poruszających się cykli aktyny, które trwają tylko sekundy (ryc. D). Cykle te łączą się w większe fale trwające minuty, a ostatecznie w większe strefy, które mogą pozostać aktywne przez wiele godzin, a nawet dni. Ten proces warstwowy pozwala komórce zachować elastyczność, jednocześnie tworząc mocne i trwałe struktury. Jak wyjaśnił dr Takito, „dynamiczne struktury utworzone z fal aktynowych są zorganizowane poprzez fraktalną integrację samoorganizujących się, oscylacyjnych podstruktur, przy czym F-aktyna napędza ich powstawanie i utrzymanie”. Bieżnia F-aktyny odnosi się do procesu, w którym włókna aktynowe rosną na jednym końcu, a kurczą się na drugim, wytwarzając siłę poprzez sprzężenie mechaniczno-chemiczne.
Doktor Takito i dr Nonaka uważają, że odkrycia te wykraczają daleko poza komórki odpornościowe i komórki kostne. Inne typy komórek, takie jak komórki skóry lub komórki nerwowe, również wykorzystują fale aktynowe, gdy muszą zmienić kształt, przenieść się lub podzielić zadania w swojej strukturze. W przypadku osteoklastów pomaga to wyjaśnić, w jaki sposób kości są stale odnawiane i utrzymywane w zdrowiu. W przypadku makrofagów pokazuje, w jaki sposób komórki odpornościowe są w stanie tak szybko dostosować swoją powierzchnię, aby wychwytywać i niszczyć szkodliwe cząsteczki.
Eksperci zauważają, że najważniejszą lekcją jest to, że fale aktynowe stanowią uniwersalną zasadę w biologii. Komórki wykorzystują je do organizowania się bez konieczności stosowania zewnętrznych instrukcji. Zrozumienie tej zasady może pomóc naukowcom w przyszłości opracować metody leczenia chorób, w przypadku których nieprawidłowa jest odpowiedź immunologiczna lub równowaga kostna, takich jak infekcje lub osteoporoza. Pokazując, jak falujące wzorce aktywności w małej skali mogą kształtować zachowanie większych komórek, badanie to zapewnia nową jasność temu, w jaki sposób najmniejsze jednostki życia pozostają tak dynamiczne.
Odniesienie do czasopisma
Takito J., Nonaka N. „Tworzenie domen błonowych za pomocą fal aktynowych: podstawowa zasada wytwarzania struktur dynamicznych w fagocytach”. International Journal of Molecular Sciences, 2025; 26(10):4759. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms26104759
