Дистанционные взаимодействия нейтрофилов человека с клетками и бактериями, опосредованные мембранными тубуловезикулярными секреторными структурами (цитонемами)

Галкина, Светлана Ивановна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Дистанционные взаимодействия нейтрофилов человека с клетками и бактериями, опосредованные мембранными тубуловезикулярными секреторными структурами (цитонемами)
ВАК РФ 03.03.04, Клеточная биология, цитология, гистология

Автореферат диссертации по теме "Дистанционные взаимодействия нейтрофилов человека с клетками и бактериями, опосредованные мембранными тубуловезикулярными секреторными структурами (цитонемами)"

На правах рукописи

Галкина Светлана Ивановна

ДИСТАНЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОФИЛОВ ЧЕЛОВЕКА С КЛЕТКАМИ И БАКТЕРИЯМИ, ОПОСРЕДОВАННЫЕ МЕМБРАННЫМИ ТУБУЛОВЕЗИКУЛЯРНЫМИ СЕКРЕТОРНЫМИ СТРУКТУРАМИ (ЦИТОНЕМАМИ)

03.03. 04 - клеточная биология, цитология, гистология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук

Москва 2014

1 о июл 2014

005550450

Работа выполнена в отделе хроматографического анализа НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный консультант

Баратова Людмила Алексеевна, доктор химических наук, профессор, заведующая отделом хроматографического анализа НИИ ФХБ имени А. Н. Белозерского Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

Панкин Вадим Зиновьевич, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией биохимии свободнорадикальных процессов НИИ кардиологии имени А. Л. Мясникова ФГУ «РКНПК Росмедтехнологий»

Сапожников Александр Михайлович, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией клеточных взаимодействий Института биоорганической химии имени М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

Щегловитова Ольга Николаевна, доктор медицинских наук, заведующая лабораторией противовирусного иммунитета НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи РАМН

Ведущая организация:

Институт морфологии человека РАМН

Защита состоится «18» ноября 2014 г. в 15:30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.52, созданного на базе Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по адресу: 119234, Москва, Ленинские горы д. 1, стр. 12, МГУ, Биологический факультет, аудитория 389.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, 27, фундаментальная библиотека, отдел диссертаций) и на сайте: www.bio.msu.ги/сЛззеЛайопз/ирсогтнпд.рИр

Автореферат разослан «_»................г.

Ученый секретарь , / Калистратова E.H.

диссертационного совета —

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Нейтрофилы (полиморфно-ядерные лейкоциты, или нейтрофильные гранулоциты) составляют основную массу лейкоцитов крови и играют ключевую роль в защите организма от бактериальных инфекций. В процессе созревания нейтрофилов в костном мозге в клетках синтезируется целый ряд бактерицидных агентов, которые в зрелых нейтрофилах локализованы в гранулах (Faurschou, Borregaard, 2003; Ftervig, et al., 2013). Нейтрофилы обладают способностью мигрировать из кровеносного русла в очаг воспаления и там фагоцитировать (поглощать) и уничтожать бактерии бактерицидными агентами, попадающими в фагосому из гранул в результате так называемой секреторной дегрануляции. Важную роль в уничтожении патогенов играют также активированные формы кислорода, генерируемые комплексом НАДФН-оксидазы, собирающимся на мембранах активированных нейтрофилов (Segal, 2005; Winterbourn and Kettle, 2013). В определенных условиях продуцируемые нейтрофилами агрессивные бактерицидные агенты и реактивные формы кислорода попадают в окружающее нейтрофилы пространство, вызывая воспалительные реакции.

Изучение адгезионных взаимодействий нейтрофилов с бактериями может внести существенный вклад в разработку новых методов защиты от инфекций, направленных на повышение роли нейтрофилов в борьбе с бактериями. Понимание механизмов адгезии нейтрофилов к клеткам является актуальным для выработки мероприятий по предотвращению и лечению сосудистых патологий, в основе которых лежит аномальная адгезия нейтрофилов к эндотелию сосудов.

В норме нейтрофилы движутся вдоль сосудов, выстланных клетками эндотелия, временно прикрепляясь к эндотелию при помощи рецепторов семейства селектинов. В очаге воспаления под действием хемоаттрактантов происходит слущивание селектинов и возрастает экспозиция рецепторов семейства В2-интегринов на поверхности нейтрофилов (Moore, et al., 1995; Kolaczkowska and Kubes, 2013). Это приводит к интегрин-зависимому прикреплению нейтрофилов к стенкам сосудов и создает возможность дальнейшей миграции в очаг инфекции. Интегрин-зависимая адгезия нейтрофилов сопровождается секрецией агрессивных бактерицидных агентов и активированных форм кислорода, разрушающих эндотелий и вызывающих развитие воспаления.

Адгезия нейтрофилов к стенкам сосудов наблюдается и в отсутствие инфекции. Воспалительные реакции в сосудах при восстановлении кровообращения после временной остановки (при реперфузии после ишемии) также связывают с нарушением адгезионных взаимодействий нейтрофилов с клетками эндотелия (Schofield et al., 2013). Считается, что при реперфузии нейтрофилы привлекаются в миокард хемотактическими факторами, такими как фактор некроза опухолей-a, интерлейкин-8, интерлейкин-6 и фактор активации тромбоцитов. Эти факторы стимулируют В2-интегрин-зависимую адгезию нейтрофилов, сопряженную с секрецией активированных форм кислорода и протеолитических энзимов, содержащихся в гранулах нейтрофилов, которые и вызывают воспалительный процесс.

При экспериментальном сахарном диабете у крыс, а также при исследовании аутопсийного материала больных сахарным диабетом, на гистологических срезах показано, что капилляры сетчатки глаза заполнены моноцитами и нейтрофилами (Schroder, et al., 1991; McLeod, et al., 1995). Установлено также, что в нейтрофилах, выделенных из крови больных сахарным диабетом, повышена экспрессия интегринов (Barouch, et al., 2000). Интегрин-зависимую адгезию нейтрофилов и связанную с ней секрецию агрессивных бактерицидных агентов нейтрофилами авторы многих современных исследований считают причиной развития ранних стадий ретинопатий (Hirata, et al., 2006; Mastej, Adamiec, 2008; Pate!, 2009) и нефропатий (Takahashi, et al., 2000; Fardon, et al., 2002) у больных сахарным диабетом.

Однако вопросы о том, какие фундаментальные клеточные процессы контролируют адгезионные взаимодействия нейтрофилов с другими клетками, как метаболические дисфункции влияют на эти взаимодействия, и каким образом адгезионные взаимодействия нейтрофилов сопряжены с процессом секреции бактерицидных агентов, содержащихся в секреторных гранулах нейтрофилов, остаются открытыми.

В кровеносных сосудах давление кровотока и сеть медиаторов, среди которых особое место занимает окись азота (NO) (Moneada, et al., 1991), препятствуют интегрин-зависимой адгезии лейкоцитов. В сосудах NO продуцируется как клетками эндотелия, так и нейтрофилами при помощи постоянно экспонированных N0 синтетаз (Sessa, 1994; Wallerath, et al., 1997). Механизм действия NO на адгезию нейтрофилов остается неизвестным, несмотря на то, что

во многих работах отмечается защитное действие N0 на сосуды при ишемии после реперфузии (Roberts, et al., 2013), при сахарном диабете (Sharma, Khanna, 2013) и при сердечно-сосудистых заболеваниях (Tsutsui et al., 2009).

NO является также важным фактором защиты организма человека от бактериальных инфекций. Известно, что в очагах инфекции происходит триггерная стимуляция синтеза NO (Pasher, 2007). О важности роли NO в борьбе с бактериями свидетельствует тот факт, что многие бактерии, включая бактерии Salmonella, экспрессируют флавогемоглобин Нтр, фермент, метаболизирующий NO (Stevanin , et al., 2002; Bang, et al., 2006). Бактерии мутантных линий, утерявших этот фермент, теряют и вирулентность. Однако механизм противомикробного действия N0 не выяснен. Можно предположить, что и противобактериальный эффект N0 связан с влиянием этого природного агента на механизмы адгезионных взаимодействий нейтрофилов с патогенными бактериями.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было изучение механизмов адгезионных взаимодействий нейтрофилов человека с клетками и бактериями, а также механизма влияния окиси азота (N0) на эти процессы. Задачи исследования:

1. Изучить при помощи сканирующей электронной микроскопии морфологию нейтрофилов человека при адгезии к твердому субстрату в различных условиях, в том числе в присутствии N0.

2. Изучить влияние адгезионных взаимодействий нейтрофилов с субстратами и клетками на величину внутриклеточного pH нейтрофилов при помощи метода микрофлуориметрии. Определить ионообменные механизмы, ответственные за изменения внутриклеточного pH при адгезии нейтрофилов.

3. Провести комплексное исследование влияния ингибиторов метаболизма глюкозы и ингибиторов окислительного фосфорилирования на морфологию и внутриклеточный pH нейтрофилов при адгезии к твердому субстрату.

4. Определить при помощи препаративных биохимических методов и масс-спектрометрического анализа белковый состав секреции нейтрофилов, сопровождающей адгезию нейтрофилов к твердому субстрату в различных условиях.

5. Изучить при помощи электронномикроскопических методов механизмы адгезионных взаимодействий нейтрофилов с бактериями и влияние окиси азота на этот процесс.

6. Провести изучение влияния окиси азота (N0), супероксиданионрадикалов и их совместного действия на монослой клеток эндотелия человека и на адгезию нейтрофилов к монослою эндотелия.

7. Доказать при помощи сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии мембранную природу тубулярных структур бактерий Salmonella enterica serovar Typhimurium, которые соединяют бактерии между собой в биопленках и прикрепляют бактерии к нейтрофилам.

Научная новизна работы. Выявлен принципиально новый механизм дистанционных адгезионных взаимодействий нейтрофилов человека. Установлено, что нейтрофилы прикрепляются к клеткам и твердым субстратам при помощи нитевидных длинных (несколько клеточных диаметров в длину), гибких и тонких (150-250 нм в диаметре) мембранных тубуловезикулярных структур, или цитонем, прикрепляющих нейтрофилы к субстрату по селектин-зависимому механизму.

Впервые показано, что образование цитонем в нейтрофилах могут вызвать: (а) ингибиторы АТФаз вакуолярного типа (V-АТФаз); (б) ингибиторы метаболизма глюкозы; (в) ингибиторы хлорных каналов и среда с низким содержанием ионов Na+; (г) агенты, разрушающие актиновый цитоскелет, а также микробный алкалоид стауроспорин и алкилирующий агент 4-бромофенацилбромид.

Впервые проведен протеомный анализ состава цитонем с применением препаративных биохимических методов, хроматографии высокого разрешения и масс-спектрометрии. Цитонемы содержат белки, типичные для азурофильных и специфических секреторных гранул нейтрофилов, а также ряд цитозольных белков. Состав цитонем не зависит от агента, инициировавшего образование этих структур.

Методом сканирующей электронной микроскопии впервые продемонстрировано, что цитонемы связывают на значительном удалении от клеточного тела нейтрофилов патогенные бактерии Salmonella Typhimurium. Экстраклеточное связывание бактерий при помощи цитонем представляет собой принципиально новый, альтернативный фагоцитозу, механизм взаимодействия нейтрофилов с патогенами. Уничтожение бактерий при этом происходит при помощи бактерицидов, высвобождающихся из цитонем в результате лизиса этих структур. Цитонемы, длина которых может превышать диаметр нейтрофилов в несколько раз, многократно расширяют пространство, где нейтрофилы могут захватить и уничтожить бактерии.

Впервые обнаружено, что N0, природный регулятор адгезии лейкоцитов, индуцирует образование цитонем в нейтрофилах и регулирует образование этих тубуловезикулярных структур под действием других агентов. N0 инициирует экстраклеточное связывание бактерий нейтрофилами, а подавление синтеза N0 стимулирует фагоцитоз бактерий.

Показано, что окись не оказывает токсического действия на монослой клеток эндотелия человека ни сама по себе, ни при совместном действии с супероксиданионрадикалами. Окись азота снижает интегрин-зависимую адгезию нейтрофилов к эндотелию, стимулированную супероксидными радикалами.

Образование контактов между клетками при помощи мембранных трубочек является универсальным механизмом дистанционных взаимодействий эукариот и прокариот. Сочетанием методов сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии в работе впервые продемонстрировано, что длинные тубулярные структуры с диаметром 60-90 нм, которые соединяют бактерии Salmonella enterica serovar Typhimurium в биопленках и прикрепляют бактерии к нейтрофилам человека, представляют собой мембранные трубочки, формирующиеся из наружной мембраны грамотрицательных бактерий.

Научно-практическое значение работы. Настоящая работа представляет собой комплексное научное исследование фундаментальных клеточных процессов, вовлеченных в адгезионные взаимодействия нейтрофилов с клетками и бактериями и во многом определяющих механизмы этих взаимодействий. Полученные данные позволяют расширить существующие представления о способах взаимодействия между клетками, расположенными на значительном удалении друг от друга, о механизмах клеточной секреции и роли секреторных мембранных структур в установлении дистанционных контактов между клетками.

Полученные в работе результаты могут внести существенный вклад в разработку новых методов предотвращения и лечения бактериальных инфекций, основанных на повышении роли нейтрофилов в связывании и уничтожении бактериальных патогенов. Новая стратегия борьбы с инфекциями может быть направлена на стимуляцию образования цитонем и связывания патогенных бактерий цитонемами нейтрофилов при помощи N0 или фармакологических агентов.

Другой фундаментальной медицинской проблемой, в решении которой могут быть использованы полученные в работе результаты, является профилактика и лечение сосудистых патологий, в основе которых лежат

нарушения в адгезии нейтрофилов к стенкам сосудов. Новым направлением в решении этих задач могут быть поиски агентов, способных регулировать адгезию нейтрофилов к эндотелию, воздействуя на выявленные в работе метаболические и ионообменные процессы, определяющие механизмы адгезии нейтрофилов. Основные положения, выносимые на защиту

1. Нейтрофилы устанавливают адгезионные взаимодействия с клетками, бактериями и субстратами на дистанции при помощи длинных, тонких (150 - 250 нм в диаметре) и гибких мембранных тубуловезкулярных структур (цитонем).

2. На метаболическом уровне образование цитонем на поверхности нейтрофилов определяется гликолитическим метаболизмом глюкозы, активностью АТФаз вакуолярного типа, состоянием актинового цитоскелета, и Na+' и СГзависимыми ионообменными процессами

3. Цитонемы представляют собой секреторные структуры нейтрофилов, состоящие из мембранных везикул и трубочек, содержащих внутри бактерицидные агенты и цитоплазматические белки нейтрофилов.

4. Связывание бактерий цитонемами на значительном удалении от клетки представляет собой новый, альтернативный фагоцитозу, механизм связывания и уничтожения бактерий нейтрофилами.

5. Окись азота является физиологическим фактором, способным индуцировать формирование цитонем на поверхности нейтрофилов и стимулировать дистанционные адгезионные взаимодействия нейтрофилов с клетками и бактериями при помощи цитонем.

6. Клетки грамотрицательных бактерий осуществляют дистанционные взаимодействия с другими бактериями, клетками эукариот и субстратами при помощи длинных и тонких (60 - 90 нм в диаметре) мембранных тубуловезикулярных структур. Эти структуры формируются из наружной мембраны бактерий и обладают теми же свойствами, что и цитонемы нейтрофилов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на конференциях: IV International conference on Enviromental, Inductrial and Applied Microbiology, Torremolinos, Spain, 2011; Current Opinion Conference "Cellular Host-Pathogen interactions" Amsterdam, Netherlands, 2010; IV крымской конференции "Окислительный стресс и свободнорадикальные патологии", Судак, Украина, 2008; 47-, 45-, 44- and 43-rd annual meeting of the American Society for Cell biology 2007, 2005, 2004, 2003; Международная конференции "Рецепция и внутриклеточная

сигнализация", Пущино, 2003; 55th Harden conference "Dynamics of membrane traffic". Ambleside, Lake District, UK, 2002. Диссертационная работа была апробирована на заседании Ученого совета НИИ ФХБ им. А. Н. Белозерского 20 мая 2013 года.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 23 печатных работах. Из них 18 статей опубликованы в журналах, представленных в «Pubmed», и 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Еще 2 работы опубликованы в виде отдельных глав в книгах издательств «Nova Science Publishers, Inc» и «Landes Bioscience/Springer».

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 195 страницах машинописного текста и состоит из разделов «Введение», «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты», «Обсуждение», «Выводы» и «Список цитируемой литературы». В работе представлены 43 рисунка и 11 таблиц. Список цитируемой литературы включает 287 источников.

Материалы и методы исследования

Клетки. Нейтрофилы человека выделяли из свежеотобранной крови здоровых доноров. Обогащенную лейкоцитами плазму получали осаждением эритроцитов при помощи декстрана Т-500. Фракцию нейтрофилов выделяли центрифугированием обогащенной лейкоцитами плазмы через Ficoll-Paque с плотностью 1,077 г/мл. Эритроциты разрушали лизисом в гипотонической среде. В работе также были использованы первичные клетки эндотелия человека (human umbilical vein endothelial cells, HUVEC), полученные из пупочной вены под действием коллагеназы Н, и зндотелиальные клетки линии EAhy926.

Бактерии. Работы по изучению взаимодействия нейтрофилов с бактериями проводили совместно с сотрудниками НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи. Бактерии Salmonella enterica serovar Typhimurium штамма C53, были получены от F. Norel (Pasteur Institute, France). Мутантные бактерии штамма SJW 880 flaR 1656 H1-gt Н2 епх, лишенные филаментов жгутиков, был получен от S. Kato (Nagoya University, Japan). Биопленки бактерий выращивали в среде Луриа-Бертани (LB) без NaCI на агаре, покровных стеклах и желчных камнях холестеринового типа, полученных в результате хирургического вмешательства из желчного пузыря больных желчнокаменной болезнью.

Сканирующая электронная микроскопия. Клетки и бактерии фиксировали в 2,5% растворе глутарового альдегида с последующей фиксацией в 1% растворе тетраокиси осмия в 0,1 М какодилатном буфере pH 7,3. Образцы

обезвоживали в серии растворов ацетона возрастающей концентрации и высушивали методом перехода критической точки в аппарате Balzers (Лихтенштейн), используя жидкий углекислый газ в качестве переходной жидкости. После напыления слоя золота-палладия образцы исследовали в сканирующем электронном микроскопе Comscan S-2.

Трансмиссионная электронная микроскопия. После фиксации в глутаровом альдегиде и тетраокиси осмия, образцы обезвоживали (70% этанол, содержащий 2% уранилацетата) и заливали в смесь эпон-аралдит (Ероп 812, Fluka). Ультратонкие срезы получали на ультрамикротоме Reichert UltraCut III, и просматривали в электронном микроскопе JFM-1011.

Микрофлуориметрия. Измерения внутриклеточного pH в индивидуальных клетках производили методом микрофлуориметрии с помощью микроскопа Opton III, оборудованного микрофлуориметрической приставкой ФМЕЛ-2 (ЛОМО). Нейтрофилы и фибробласты нагружали pH-зависимым флуоресцентным красителем BCECF и измеряли интенсивность флуоресценции клеток при 520 нм при двух длинах волн возбуждения (430 и 490 нм). По соотношению интенсивностей флуоресценции при этих длинах волн возбуждающего света вычисляли pH цитоплазмы. Калибровку проводили нигерицин-калиевым методом.

Определение белковых продуктов секреции нейтрофилов при помощи электрофореза, хроматографии высокого напряжения и масс-спектрометрии. Белки, секретируемые нейтрофилами при адгезии к фибронектину в различных условиях, концентрировали и разделяли методом электрофореза в полиакриламидном геле. Окрашенные Coomassie Brilliant Blue полоски белков вырезали, подвергали триптическому гидролизу в геле и идентифицировали при помощи масс-спектрометрии. Низкомолекулярные бактерицидные пептиды выделяли при помощи хроматографии высокого разрешения на приборе Miiichrom А-02 (Новосибирск, Россия) и идентифицировали при помощи масс-спектрометрии. Масс-спектры были получены на тандемном MALDI-времяпролетно-времяпролетном масс-спектрометре Ultraflex II BRUKER (Германия), оснащенном УФ лазером в режиме положительных ионов с использованием рефлектрона. Идентификацию белков по «пептидному фингерпринту» осуществляли при помощи программы Mascot fwww.matrixscience.conn).

Результаты и обсуждение

Изучение механизмов адгезии нейтрофилов к твердому субстрату, покрытому белками экстраклеточного матрикса

Природа субстрата во многом определяет процесс адгезии клеток и их функциональную активность. При адгезии к чистому стеклу, пластику или субстрату, покрытому коллагеном, нейтрофилы активируются - начинают генерировать активные формы кислорода и гидролитические ферменты. Мы изучали адгезию нейтрофилов к покровным стеклам, покрытым белком экстраклеточного матрикса фибронектином. Нейтрофилы хорошо прикрепляются к фибронектину, при этом адгезия нейтрофилов не сопровождается активацией клеток. В контрольных условиях нейтрофилы, имеющие в суспензии шаровидную форму, прикрепляются к фибронектину интегрин-зависимым способом и

эксперименты продемонстрировали существование другого механизма прикрепления нейтрофилов к субстрату и другим клеткам - при помощи очень длинных и тонких тубуловезикулярных структур,

формирующихся на поверхности нейтрофилов. При адгезии нейтрофилов к фибронектину в среде, обедненной ионами Ыа+, или в присутствии некоторых химических веществ (алкилирующего агента 4-бромофенацилбромида (ВРВ),

цитохалазина Д - агента разрушающего цитоскелет)

нейтрофилы сохраняли сферическую форму и на их поверхности формировались структуры, состоящие из связанных в одну цепь трубочек и везикул одного диаметра -цитоплазматические нити или цитонемы (Рис. 1). Тубуловезикулярные структуры выполняли функции адгезионных органелл нейтрофилов - они прикрепляли

распластываются (Рис. 1 А). Наши

V " ' '' ' : , 10»м В: N3(1 У 1'ге« тесШшп

С: »1*1» "" ; =;. : ^ , Г5; СушсЬЫт 13 % ; ;

Рис. 1. Изображения нейтрофилов человека, прикрепившихся в течение 20 мин к субстрату, покрытому фибронектином, в контрольных условиях (А), в среде с низким содержанием ионов Ыа (В), в присутствии 10 рМ ВРВ (С), 10 рг / мл цитохалазина Д (О), 1 мМ диэтиламин ЫОМОата (Е) или 200 пМ стауроспорина (Р). Изображения получены при помощи сканирующего электронного микроскопа.

клетки к субстрату и к соседним клеткам, удаленным на значительное расстояние от тела нейтрофила.

При помощи сканирующей электронной микроскопии было показано, что тубуловезикулярные структуры нейтрофилов имели единый диаметр вдоль всей длины, который колебался в пределах 130 - 250 нм в зависимости от экспериментальных условий. Длина таких структур в течение 20 мин достигала 80100 рМ, многократно превышая диаметр нейтрофилов. Нейтрофилы, прикрепившиеся к фибронектину в присутствии ВРВ (Рис. 1С) или NBD-CI, ингибитора АТФаз вакуолярного типа (Рис. 6), были прикреплены к субстрату, в основном, при помощи цитонем.

Рис. 2. Влияние моноклональных антител к адгезионным рецепторам нейтрофилов на адгезию нейтрофилов к фибронектину в присутствии ВРВ. Нейтрофилы были предварительно

проинкубированы с 20 цг/мл иммуноглобулинов G1 (контроль) или с 20 цг/мл моноклональных антител против общей Р субъединицы всех 82 интегринов CD 18 (анти CD 18), 81 интегринов (анти beta 1), анти L селектинов. * Р<0.05, по сравнению с контрольным значением.

igGl анти- анти- анти- анти-CD18 CD 18 бета! L-сел антибета!

Адгезия нейтрофилов в этом случае блокировалась моноклональными антителами к 1_-селекгинам, но не (31 или [32 интегринам (Рис. 2). Следовательно, опосредованная цитонемами адгезия нейтрофилов к субстрату носит селектин-зависимый характер, в то время как распластывание нейтрофилов на фибронектине, как известно, происходит интегрин-зависимым образом. Действие многих соединений, способных индуцировать образование тубуловезикулярных структур на поверхности нейтрофилов, часто сопряжено с полным подавлением распластывания клеток. Однако донор N0 диэтиламин ЫОЫОат и природный алкалоид стауроспорин, продуцируемый бактериями ЗКерЮтусев Б1аигозрогеиз, способны индуцировать формирование и рост тубуловезикулярных структур, не препятствуя распластыванию клеток на фибронектине (Рис. 1 Е и Р).

Демонстрация мембранной природы цитонем была произведена с использованием флуоресцентных красителей. Цитонемы нейтрофилов окрашивались как цитоплазматическим флуоресцентным красителем ВСЕСР, так

и флуоресцентным лигшдом ВСЮ1РУ-сульфатидом (Рис. 3), что свидетельствовует о том, что везикулы и трубочки цитонем окружены мембранами и содержат внутри цитоплазму нейтрофилов. Метаболические процессы,

регулирующие механизм адгезии и внутриклеточный рН нейтрофилов при адгезии к фибронектину

Очевидно, что способность химических и природных соединений индуцировать образование тубуловезикулярных

мембранных структур на поверхности нейтрофилов и видоизменять адгезионное поведение клеток реализуется через клеточный метаболизм. Химические агенты, воздействуя на рецепторы и сигнальные пути клеток, вызывают изменения в энергетическом метаболизме клеток, влияют на ионообменные процессы и вызывают перестройки цитоскелета. Важным регулятором клеточной физиологии является внутриклеточный рН, регулирующий активность многих ферментов, полимеризацию/деполимеризации актинового цитоскелета и другие внутриклеточные процессы. Для того, чтобы выяснить какие метаболические процессы определяют механизмы адгезионных взаимодействий нейтрофилов, мы изучили влияние ингибиторов окислительного фосфорилирования, гликолиза и АТФаз различных типов на морфологию и внутриклеточный рН (р№) нейтрофилов при адгезии к фибронектину.

Нами было показано, что в клетках различных типов (нейтрофилах и фибробластах) величина рН1 изменяется при адгезии клеток к твердому субстрату и зависит клеточной плотности, то есть контролируется адгезионными взаимодействиями клеток. Внутриклеточный рН нейтрофилов в суспензии колеблется в пределах 6.57 - 6.85 ед. рН. После адгезии и распластывания на субстрате, покрытом фибронектином (в среде с рН 7.40), рН1 возрастает до 7,2 -7,4 ед. рН (Рис. 4).

Мы изучили влияние специфических ингибиторов АТФаз трех основных типов (Р-, Р- и \/-типа) на распластывание и внутриклеточный рН нейтрофилов.

Рис. 3. Флуоресцентные изображения нейтрофилов, прикрепившихся к фибронектину в присутствии диэтиламин ЖЖОата (верхний ряд) или стауроспорина (нижний ряд). Правая колонка - нейтрофилы были предварительно проикубированы с 5 мМ ВСЕСР, левая колонка - к нейтрофилам в конце инкубации было добавлено 5цг/мл ВСЮ1РУ-сульфатида.

Наши исследования показали, что ингибиторы АТФаз \/-типа (вакуолярного типа), за исключением бафиломицина А1, ингибировали распластывание нейтрофилов (на 35 - 50 % уменьшали площадь, занимаемую клетками на субстрате) и все испробованные ингибиторы достоверно подавляли повышение при адгезии (Рис. 4). Ингибиторы АТФаз Р-типа (митохондриального типа) и Р-типа (АТФазы, которые фосфорипируются при активации) не оказывали существенного влияния ни на распластывание нейтрофилов, ни на величину рН1 (Рис. 4).

рН| 7,4

7,2

7,0

6,8

6,6

Рис. 4. Влияние АТФаз трех основных типов на распластывание и внутриклеточный рН (pHi) нейтрофилов человека при адгезии к субстрату, покрытому фибронектином. Фазово-контрастное изображение нейтрофилов (верхняя панель) и величина pHi нейтрофилов (нижняя панель) после прикрепления к фибронектину:

(i) в контрольных условиях (Con);

(ii) в присутствии ингибиторов V-типа АТФаз: 200 рМ NEM, 100 рМ NBD-C1, 100 рМ DCCD, 25 рМ диэтилстилбестрола (DBS), 1 рМ бафиломицина А1 (Baf);

(iii) в присутствии ингибиторов F-типа АТФаз: 2 pr/мл олигомицина (Olig) или 1 mM NaN3;

(iiii) в присутствии ингибиторов Р-типа АТФаз: 200 цМ ортованадата натрия (Van), 200 рМ оуабаина (Oua), 5 рМ SCH28080 (SCH) или 200 рМ омепразола (ОМЕ). * - Р < 0,05

Ингибирование окислительного фосфорилирования при помощи протонофоров FCCP и СССР, калиевого ионофора валиномицина, а также цианида натрия мало влияло на распластывание (Рис. 8 А) или внутриклеточный рН нейтрофилов (Рис. 8 Б). Нормальные лейкоциты, подобно раковым клеткам и некоторым нормальным тканям, таким как сетчатка глаза или слизистая оболочка кишечника, вырабатывают энергию преимущественно при помощи гликолиза,

lili

Con NEM NBD-CI DES DCCD Baf Baf Olig NaN3 Oua Van SCH Orne ЮОпМ luM

который не подавляется даже в присутствии кислорода. Подавление гликолиза при помощи моноиодоацетата, замещение Д-глюкозы на физиологически неактивную 2-дезокси-Д-глюкозу или блокирование транспорта глюкозы при помощи флоретина (ингибитор Ыа-независимого транспорта глюкозы) подавляло распластывание нейтрофилов (Рис. 5 А), а также и блокировало повышение внутрикеточного рН нейтрофилов при адгезии к фибронектину (Рис. 5 Б, В).

Щ Б

Cvn DOG DOG DOG IAA PT 50«! 85ЗД 100¡>b

Con СССР FCCP Vil NiCN

Рис. 5. Фазово-контрастные изображения (А) и внутриклеточный рН (pHi) нейтрофилов,

прикрепившихся к фибронектину в присутствии ингибиторов

окислительного фосфорилирования (Б) или гликолиза (В). Con - контроль;

FCCP или СССР, протонофоры (200 ЦМ);

NaCN- цианид натрия (1 мМ);

Val - валиномицин (5 рМ);

DG или DOG - 50, 85 или 100% Д-

глюкозы в среде замещено 2-дезокси-

Д-глюкозой;

JAA - моноиодацетат (1мМ); РТ - флоретин (400цМ). »- Р<0,01

Изучение морфологии нейтрофилов, прикрепившихся к фибронектину в присутствии метаболических ингибиторов, при помощи сканирующей электронной микроскопии показало, что подавление распластывания нейтрофилов ингибиторами метаболизма глюкозы или ингибиторами \/-АТФаз сопровождалось образованием тубуловезикулярных структур на поверхности клеток (Рис. 6).

Таким образом, изучение адгезии нейтрофилов к фибронектину показало, что метаболизм глюкозы и \/-АТФазы, но не окислительное фосфорилирование и

не Р- или Р-типа АТФазы определяют, будут ли нейтрофилы распластаны на субстрате, или сформируют на поверхности тубуловезикулярные структуры, при помощи которых и прикрепятся к субстрату. Нужно отметить, что подавление метаболизма глюкозы и ингибирование У-АТФаз предотвращали распластывание нейтрофилов в условиях, когда окислительное фосфорилирование не было подавлено.

- Ш % з

^зЯШк д

Рис. 6. Изображения прикрепившихся к фибронектину нейтрофилов, полученные при помощи сканирующей электронной микроскопии. Верхний ряд - нейтрофилы прикреплялись к субстрату в присутствии ингибиторов У-типа АТФаз (200 цМ ЫЕМ или 100 цМ ЫВО-С1). Нижний ряд - нейтрофилы прикреплялись к субстрату в присутствии ингибитора гликолиза моноиодоацетата (1АА, 1тМ) или ингибитора Ыа+-независимого транспорта глюкозы флоретина (рЫогеПп, 400рМ).

В зависимости от локализации \/-типа АТФазы переносят протоны из цитоплазмы либо в экстраклеточную среду, либо во внутриклеточные органеллы, способствуя защелачиванию цитоплазмы клеток. У-АТФазы состоят из периферического \Л домена, содержащего АТФ-связывающий сайт, и интегрального мембранного домена У0, формирующего пору. Эти домены могут существовать порознь, но для переноса протонов они должны объединиться в комплекс. Каким образом подавление активности \/-АТФазы может вызывать образование цитонем на поверхности нейтрофилов остается неизвестным. Согласно нашим данным, повышение р№, само по себе, не является триггером образования цитонем. Современные исследования выявили новую роль \/-АТФаз в клеточном метаболизме, а именно способность \/-АТФаз осуществлять слияние мембран. Предполагается, что комплексное взаимодействие \/о доменов \/-АТФаз из двух противостоящих мембран ведет к образованию канала, пронизывающего обе

мембраны. Радиальная экспансия такого канала приводит к слиянию этих мембран.

Мы связыванием появление цитонем на поверхности нейтрофилов при подавлении активности \/-АТФазы с ролью \/-АТФаз в слиянии/разделении биологических мембран. Мы предлагаем гипотезу, что мембранные тубуловезикулярные структуры нейтрофилов представляют собой поток секреторных тубулярных и везикулярных мембранных транспортеров секреции клетки. Эти транспортеры могут сливаться с плазматической мембраной нейтрофилов и выпускать свое содержимое в экстраклеточную среду, или отделяться от плазматической мембраны как отдельные везикулы и трубочки вместе со своим содержимым в экстраклеточную среду. При нарушениях процессов слияния/разделения мембран эти транспортеры выступают из тела клеток в виде тубуловезикулярных нитевидных структур - цитонем.

Активность \/-АТФаз контролируется метаболизмом глюкозы. Истощение запасов глюкозы вызывает быструю диссоциацию комплекса VI и \/0. Предполагается, что сенсором глюкозы для \/-АТФаз может служить гликолитический фермент альдолаза, способный одновременно взаимодействовать с белковыми субъединицами \Л и Х/0 доменов. Показано, что другой гликолитический фермент ЗАРОН способен к физической ассоциации с комплексом альдолаза - \/-АТФаза. Взаимодействие гликолитических ферментов на белковом уровне с \/-АТФазами создает базис для сопряжения АТФ-генерирующего гликолитического процесса и АТФ-гидролизующих протонных помп.

Появление цитонем на поверхности нейтрофилов при подавлении гликолитического метаболизма глюкозы может быть результатом подавления активности \/-АТФазы. Однако, способность индуцировать слияние мембран гранул нейтрофилов и искусственных липидных везикул (липосом) обнаружена также у самих гликолитических ферментов, таких как ОАРйН и энолаза. Выявление ионообменных процессов, регулирующих внутриклеточный рН и адгезионные механизмы нейтрофилов

Важную роль в адгезии нейтрофилов играют ионообменные процессы с участием ионов № + и СГ. Ранее для фибробластов было показано, что при адгезии к субстрату в среде с низким содержанием ионов №+ клетки не распластываются, а сохраняют круглую форму и низкий внутриклеточный рН, типичные для клеток в суспензии. Предполагалось, что отсутствие ионов №+

Con Amü EIFA

+Na +ChCl +K среда без Na+

Рис. 7. Внутриклеточный pH (pHi) (А. Б) и электронномикроскопические изображения (В) нейтрофилов, прикрепившихся к фибронектину в присутствии: (А) ингибиторов Na+/H+ антипортера амилорида (Amil, 100 рМ) или его производного (EIPA, 500 рМ) или в среде, где ионы Na+ были замещены холинхлоридом (ChCl) или ионами калия (К+).

(Б) ингибитора Na-K-2C1 котранспортера фуросемида (Furo, 1 mM); ингибиторов хлорных каналов этакриновой (ЕА, 400 рМ) или флуфенамовой кислот (FFA, 100 рМ) и DIDS (200 рМ); ингибиторов хемиканалов октанола (Oct, ImM) и глицерритиновой кислоты (100 мМ). *- Р<0,01

блокирует работу Ыа+/Н+ антипортера, защелачивающего цитоплазму благодаря обмену внутриклеточных протонов Н+ на ионы Ыа+ из экстраклеточной среды. Было известно также, что выход ионов СГ из клеток сопровождает процесс распластывания нейтрофилов на фибронектине и ингибирование хлорных каналов подавляет этот процесс.

а __ Б

рШ

Внутриклеточный рН контролируется, как правило, целым оркестром взаимосвязанных ионообменных процессов, что свидетельствует о важности этого параметра для клеток. Мы изучили влияние среды с низким содержанием ионов №а+, ингибиторов Ыа+/Н+ антипортера, ингибиторов хемиканалов и хлорных каналов на морфологию и внутриклеточный рН нейтрофилов при адгезии к фибронектину. Наши результаты показали, что удаление ионов натрия из среды, ингибиторы Ыа+/Н+ антипортера амилорид и его производное Е1РА, ингибиторы хемиканалов октанол и глицерритиновая кислота статистически достоверно

блокировали повышение рН1 в процессе адгезии. Ингибиторы хлорных каналов

этакриновая и флуфенамовая кислота и ОЮБ (ингибитор хлорных каналов, независимого и №+-зависимого СГ/НСОз анионного обмена и №+/НСОз симпортера) также блокировали рН1 при адгезии. Однако только удаление ионов №+ из зкстраклеточной среды и подавление хлорных каналов при помощи зтакриновой и флуфенамовой кислоты одновременно подавляли распластывание нейтрофилов и вызывали появление мембранных тубуловезикулярных структур на поверхности клеток (Рис. 7).

Суммируя вышесказанное можно сказать, что подавление гликолитического метаболизма глюкозы, ингибирование У-АТФазы, а также блокирование хлорных каналов и удаление зкстраклеточного №+ подавляли повышение рН и вызывали образование цитонем при адгезии нейтрофилов к субстрату. Основываясь на этих данных можно предположить, что все эти воздействия блокируют один и тот же ключевой в адгезии нейтрофилов метаболический процесс, а именно активность \/-АТФаз. У-АТФазы являются электрогенными переносчиками протонов. Для поддержания У-АТФазы в активном состоянии вынос протонов (Н+ ионов) из клеток для компенсации заряда должен сопрово>едаться либо выходом отрицательно заряженных ионов из клетки, либо входом положительно заряженных ионов в клетку. Выход ионов СГ через хлорные каналы действительно может рассматриваться как процесс, компенсирующий перенос протонов V-АТФазой. Способность ингибиторов хлорных каналов индуцировать появление цитонем, таким образом, может быть обусловлена блокированием \/-АТФазы в результате подавления процесса компенсации заряда. Компенсация заряда в принципе могла бы осуществляться также входом ионов Ыа+ в клетку составе многочисленных электрогенных котранспортеров и антипортеров, использующих градиент для транспорта в клетку глюкозы, аминокислот и других веществ. Однако выявить такой переносчик нам не удалось.

Роль цитоскелета в процессах, регулирующих образование мембранных тубуловезикулярных структур нейтрофилов

Нами было впервые показано, что разрушение актинового цитоскелета при помощи цитохалазина В или Д инициирует образование цитонем на поверхности нейтрофилов (Рис. 8). Мы предполагаем, что актиновый цитоскелет играет координирующую роль в комплексном взаимодействии гликолитических ферментов и АТФаз вакуолярного типа при слиянии мембран.

А; СуЮсЬа1ай» Й

В пользу такого предположения свидетельствует способность белковых субъединиц гликолитических ферментов альдолазы, САРйН или

фосфоглюкозоизомераза взаимодействовать с актиновыми филаментами. Белковые субъединицы В и С, принадлежащие \А домену У-АТФазы, также содержат места связывания филаментозного актина. Согласно нашей гипотезе, разрушение актинового цитоскелета приводит к дезорганизации взаимодействия гликолитических ферментов и \ЛАТФаз, что ведет к нарушению процесса слияния мембран секреторных структур с плазматической мембраной нейтрофилов и, таким образом, инициирует образование и рост цитонем на поверхности нейтрофилов.

В дальнейшем действие и других агентов, способных вызвать формирование цитонем на поверхности нейтрофилов, мы связали также с разрушением цитоскелета. К этим агентам относится 4-бромофенацилбромид (ВРВ), алкилирующий агент, способный индуцировать образование цитонем в более чем 90% клеток в препарате (Рис.1 С). Единственным белком, который алкилируется этим реагентом в нейтрофилах, является 1_-пластин, белок индуцирующий формирование пучков актиновых филаментов.

К этой группе можно отнести также антибиотик стауроспорин, вырабатываемый бактериями 8&ер1отусез з1аигозрогеиэ (Рис. 1 Р). Одним из центральных регуляторов цитоскелета является актин-деполимеризующий фактор (АйР)/кофилин. Фосфорилирование кофилина по единственному серину блокирует способность кофилина к депомеризации актина. Показано, что стауроспорин специфически ингибирует постоянно активную серин-3-кофилин киназу, вызывая, таким образом, деполимеризацию актина.

Наши исследования показали, что образование цитонем в присутствии цитохалазина Д тесно сопряжено с одновременным быстрым разрушением

Рис. 8. Цитонемы и углубления на поверхности нейтрофилов,

образовавшиеся в присутствии цитохалазина Д. Нейтрофилы прикреплялись к покрытому фибронектином субстрату в течение 10 мин (А) или 40 мин (В) в присутствии 10 цг/мл цитохалазина Д при 370С. Затем клетки были зафиксированы и обследованы при помощи сканирующей электронной

микроскопии.

цитонем и с появлением специфических углублений на поверхности нейтрофилов в присутствии цитохалазина Д (Рис. 8). Эти углубления напоминали так называемые «поросомы» экзокринных и нейроэндокринных клеток (Jena 2004). Поросомы представляют собой округлые вмятины 0.4-0.12 мм в диаметре содержащие 3-4 депрессии по 100-150 нм в диаметре. Предполагается, что эти депрессии являются порами слияния, где мембранные секреторные пузырьки сливаются с клеточной мембраной и выпускают свое содержимое наружу. Углубления нейтрофилов напоминают поросомы с одним-двумя углублениями и, возможно, выполняют сходную роль в секреции нейтрофилов.

Протеомный анализ состава цитонем

Для доказательства секреторной природы мембранных тубуловезикулярных структур мы провели протеомный анализ цитонем нейтрофилов, прикрепившихся к фибронектину в присутствии агентов, способных индуцировать появление цитонем (донора NO диэтиламин NONOaTa, ВРВ и цитохалазина Д). После 20 мин инкубации (в процессе которой формировались цитонемы) экстраклеточная среда (ЕМ1), содержащая агенты, индуцирующие образование цитонем, была замещена на контрольный буфер. В результате такого замещения цитонемы слущивались в поверхности клеток, набухали и разрушались. После последующей 15 мин инкубации отбирали среду (ЕМ2), обогащенную спущенными цитонемами и продуктами их разрушения. Затем ЕМ1 и ЕМ2 были сконцентрированы, разделены при помощи электрофореза в полиакриламидном геле или хроматографии высокого разрешения и идентифицированы при помощи масс-спектрометрии.

При адгезии к фибронектину контрольные нейтрофилы секретировали множество белков, если судить по окрашиванию гелей электрофореза серебром. Для выявления основных секретируемых белков мы применили менее чувствительное окрашивание гелей красителем Coomassie Brilliant Blue. Это позволило нам идентифицировать основные секретируемые белки и установить белковые профили секреции нейтрофилов, характерные для различных условий. Белковые профили секреции устанавливали по результатам трех аналогичных экспериментов. В белковый профиль вошли белки, выявленные в не менее чем двух экспериментах.

В течение первых 20 мин адгезии к фибронектину контрольные нейтрофилы секретировали: гранулярные белки лактоферрин (LF), NGAL (белок нейтрофилов, ассоциированный с желатиназой или липокалин), лизозим и миелопероксидазу

(МРО); альбумин; цитозольные S100A8 and S100A9 белки. Белки были локализованы в гелях соответственно их молекулярным весам, за исключением 25-kDa белка NGAL, который был выявлен как 50-kDa белок (Рис. 9 А, ЕМ1, полоса 5). Такое несоответствие объясняется способностью этого белка образовывать гомодимеры. Кальций-связывающие белки S100A8 и S100A9 способны образовывать гетерокомплекс S100A8/A9, известный как кальпротектин, который и был обнаружен в полосе 6 (Рис.9 А, ЕМ1).

А: Контроль 6М1 ЕМ2 kDa ЕМ1 ЕМ2 В: ВРВ

1. мто

6. | -в 4. »™.1-«:«»..ТИ

.1. LF

4. а:н.5учин

5. NGM.

ЕМ1 ЕМ2 kDa ЕМ1 ЕМ2

■97 -66 -45 : ..... : йг.Л -6

9 ! -30 Iii —ю -11

spi щ -20.1 •14.4 ¡И Ii*® i -12 •13

1. МРО

2. LF .1. LF

5. К31, 06PDU,«

6. 7.

(,: SIWaWsIMA» 6' • "30 «• и-»«".».1..ак-„,

,,„,„,„„ 9 шшскс„„1.0АРПЫ

SII»AS.S!00A8.A<> : : v IO.K«mm»G,GST

11. NC,AI... гексокшта II

12. S100Ait;A9. S100АУ I3.SIOOA8 14. SI0GA12

Рис. 9. Электрофоретические гели белков, секретируемых нейтрофилами при адгезии к фибронектину: А - в контрольных условиях в течение первых 20 минут (EMI) и после смены среды в течение последующих 15 минут (ЕМ2), В - в присутствии 10 рМ ВРВ в течение первых 20 мин (EMI) и после смены среды в течение последующих 15 мин (ЕМ2).

Различают 4 типа секреторных гранул нейтрофилов: азурофильные (первичные), специфические (вторичные), желатиназные (четвертичные) гранулы и секреторные везикулы. Содержание гранул в значительной степени перекрывается. Однако лактоферрин, липокалин и лизозим содержатся преимущественно во вторичных гранулах, а миелопероксидаза в первичных. Считается, что сывороточный белок альбумин содержится в секреторных везикулах, куда он попадает из крови в процессе эндоцитоза. Следовательно, при адгезии к фибронектину в контрольных условиях происходит секреция первичных и вторичных гранул и секреторных везикул. При последующей инкубации в контрольной среде нейтрофилы секретировали значительно меньше белков, и только лактоферрин секретировался в количестве, достаточном для масс-спектрометрического определения (Рис. 9 А, ЕМ2).

В течение первых 20 минут инкубации нейтрофилов в присутствии ВРВ, клетки секретировали лишь следовые количества белков (Рис. 9 В, ЕМ1). Это свидетельствует о том, что подавление распластывания нейтрофилов (Рис. 1 С), сопровождается подавлением секреции. ЕМ2, отобранная через 15 минут после

смены среды на контрольную и содержащая слущенные цитонемы и продукты их разрушения, содержала те же белки, что и ЕМ1 контрольных нейтрофилов (за исключением лизозима). Кроме того в ЕМ2 был идентифицирован целый ряд дополнительных белков, которые мы рассматриваем как белки цитонем. Эти дополнительные белки могут быть разделены на следующие группы: (¡) гранулярный бактерицидный агент катепсин G, локализованный преимущественно в азурофильных гранулах; (ii) ферменты, осуществляющие энергетический метаболизм, такие как транскетолаза (ТКТ), глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (G6PDH) и гликолитические ферменты фосфоглюкозоизомераза (PGI), энолаза и GAPDH; (¡¡i) белки актинового цитоскелета 3 и у актин, L-пластин, моезин; (iv) другие белки, в том числе аннексии 1, глютатионтрансфераза и ov-серпин (Рис. 9 В, ЕМ2 и табл. 1).

Белковый состав цитонем, формирование которых было индуцировано цитохалазином Д или диэтиламин NONOaTOM, практически совпадал с белковым составом цитонем, образовавшихся в присутствии ВРВ (Табл. 1). Эти данные свидетельствуют о том, что цитонемы представляют естественный механизм секреции нейтрофилов, состав которой не зависит от способов запуска секреции.

Важнейшую роль в бактерицидной активности нейтрофилов играют дефензины HNP-1-3, небольшие катионные белки, хараетеризующиеся наличием трех дисульфидных связей, что сильно затрудняет их идентификацию. Для определения дефензинов белки ЕМ1 и ЕМ2, отобранных от контрольных и ВРВ-обработанных клеток, были разделены при помощи хроматографии высокого разрешения. Несколько пептидных пиков было обнаружено в ЕМ2 ВРВ-обработанных клеток, но не в ЕМ2 контрольных клеток (Рис. 10). Эти пики отсутствовали в ЕМ1 как ВРВ-обработанных, так и контрольных нейтрофилов. Масс-спектрометрический анализ пика 1 идентифицировал пептиды с молекулярной массой 3372.2, 3443.3, и 3488.3 Da (Рис. 11), что совпало с молекулярной массой дефензинов HNP-2 (3371.00 Da), HNP-1 (3442.08 Da) and HNP-3 (3486.09 Da). Восстановление двойных связей при помощи DTT и последующее алкилирование при помощи NEM вызвали сдвиг молекулярной массы пептидов до значений 4198 Da, 4127 Da and 4241 Da (Рис. 11). Следовательно, каждый пептид связал 6 NEM групп, что свидетельствует о наличии в каждом пептиде 6 цистеиновых остатков, что типично для дефензинов.

Entrez gene Entrez Ш Название белка Покрытие, % MOWS Е счет

ВРВ Cyt. D NO

Гранулярные белки

AAR12276 gi 1381546 80 лактоферрин + + 51 286

ЕАХ05678 Ri| 119626083 альбумин + 28 102

1СХР С pi 17766942 МРО + + 43 102

1AU8 А gi|3891975 катепсин G + + 54 188

1DFV А gi|7245433 NGAL + + 58 115

3GNY А gi|254839344 HNP 1-3" HNP-1* 80 47

Белки цитоскелета

NP 002435 gi|4505257 моезин + 37 201

ХР 001490638 gi|149730240 L-пластин 40 201

BAD96775 gi|62897671 В-актин + + 48 194

NP 001605 gi|4501887 у-актин + 42 173

Ферменты энергетического метаболизма

ААН02433 gi|31417921 ТКТ + 46 201

AAN76407 gi|26224870 GPDH 27 74

ПАТ А gi| 14488680 PGI 36 112

ЗВ97 А gi|203282367 енолаза1 + 60 339

NP 002037 gi|7669492 GAPDH + + 42 178

САА86482 gi|587240 гексокиназа II 53 49

$100 и другие белки

1ХК4 С gi|82407447 S100A8/A9 + + 87 150

NP 002956 gi|4506773 S100A9 + + 80 84

NP_002955 gi|21614544 S100A8 + + 40 79

1Е8А А gi|13096753 S100A12 49 110

NP 000691 gi)45 02101 аннексии I 50 123

gi|20664358 глютатион-трансфераза 52 188

NP 109591 gi| 13489087 ov-серпин 41 107

Табл. 1. Белковый состав цитонем, образованных под действием ВРВ, цитохалазина Д или диэтиламин ЫОЫОата. Нейтрофилы прикреплялись к фибронектину в присутствии 10 рМ ВРВ, 10рг/мл цитохалазина Д (Су1 О ) или 1мМ диэтиламин ШШата (N0) в течение 20 минут. Для разрушениения цитонем экстраклеточная среда была замещена на буфер без агента, вызывающего образование цитонем, и клетки были проинкубированы в ней еще 15 мин. Затем экстраклеточная среда, обогащенная белками цитонем, была отобрана (ЕМ2), сконцентрирована и белки были разделены при помощи БОЗ-РАСЕ электрофореза или НРЬС (**). Данные масс-спектрометрического анализа ЕМ2 взяты из экспериментов с ВРВ. Аналогичные белки, идентифицированные в экспериментах с цитохалазином Д или диэтиламин МОМОатом помечены крестиком (+). Масс-спектрометрические данные для [ГЫР-1 (*) взяты из экспериментов с цитохалазином Д.

Рис. 10. Разделение при помощи хроматографии высокого

разрешения белков, секретируемых нейтрофилами при адгезии к фибронектину в присутствии ВРВ или в контрольных условиях. Нейтрофилы человека

прикреплялись к фибронектину в течение 20 мин в присутствии 15 цМ ВРВ (А) или в контрольных условиях (В). Экстраклеточная среда была замещена на контрольный буфер и, после 15 мин инкубации, образцы среды (ЕМ2) были отобраны, сконцентрированы и разделены при помощи НРЬС. Результаты подтверждены в двух независимых экспериментах.

1КЮ-ВОО-

ЭЭОО ЭКЮ 39W ¿200 ¿500 ÄXJ0 'ЛЗОО 3900

Рис. 11. Масс-спектрометрический анализ белкового пика 1, выделенного при помощи НРЬС из ЕМ2 нейтрофилов, прикрепившихся к фибронектину в присутствии ВРВ (Рис. 13). МАЬОЬМЭМЗ анализ проведен перед (А) и после (В) восстановления тиоловых групп при помощи ОТТ и последующего алкилирования цистеиновых

остатков при помощи 1ЧЕМ. Результаты подтверждены в двух независимых экспериментах.

Таким образом, наши данные подтверждают, что цитонемы содержит также дефензины нейтрофилов HNP 1-3 (Табл 1).

Разрушение цитонем приводило к обогащению среды бактерицидами первичных и вторичных гранул нейтрофилов, таких как катепсин G и дефензины HNP 1-3 (Табл. 1). Это подтверждает нашу гипотезу о том, что цитонемы представляют собой выступающие из клетки экзоцитозные структуры, состоящие из выстроенных в линию везикулярных и тубулярных мембранных носителей эктоцитоза, содержащих бактерицидные агенты нейтрофилов.

Для того, чтобы подтвердить, что цитонемы действительно обладают бактерицидной активностью, мы показали, что обработка бактерий средой ЕМ2, обогащенной продуктами разрушения цитонем, подавляет рост бактерий Salmonella Typhimurium (Рис. 12).

Рис. 12. Подавление роста бактерий Salmonella Typhimurium вирулентного штамма IE147 продуктами разрушения цитонем. Бактерии, предварительно проинкубированные с раствором Хенкса или со средой ЕМ2 контрольных или ВРВ-обработанных нейтрофилов,

выращивали в среде Лурия-Бертани при 37 ОС. Аликвоты, взятые через 1, 2 или 3 часа, высаживали на чашки Петри и подсчитывали количество

образовавшихся колоний (CFU, по оси ординат).

Наши эксперименты показали, что в цитонемах, помимо гранулярных бактерицидов, в избытке представлены аннексии 1, S100 белки, гликолитические ферменты, включая GAPDH, и белки, принадлежащие кортикальному актиновому цитоскелету. Эти белки предназначены, по-видимому, для осуществления слияния мембран трубочек и везикул с плазматической мембраной нейтрофилов. Показано, что белки аннексии 1 и GAPDH способны индуцировать слияние мембран гранул нейтрофилов, а кальпротектин (S100A8/A9) обладает способностью транспортировать арахидоновую кислоту, необходимую для аннексин-опосредованного слияния мембран. Актиновый цитоскелет, связывающий гликолитические ферменты и аннексины на белковом уровне, может координировать взаимодействие этих белков при слиянии мембран.

Итак, цитонемы представляют собой цепочки выступающих из клетки трубочек и везикул, которые покрыты мембраной и содержат внутри бактерициды первичных и вторичных гранул нейтрофилов. Суммируя результаты нашего исследования, мы считаем, что цитонемы представляют собой новый тип клеточной секреции. По традиционной схеме экзоцитозные носители сливаются с плазматической мембраной клетки и высвобождают свое содержимое во внеклеточную среду, где происходит сильное разбавление секретируемых веществ, часто агрессивных для окружающих тканей. Секреция в виде цитонем имеет ряд преимуществ. Цитонемы могут обеспечить доставку бактерицидных или сигнальных молекул на значительные расстояния, но при этом строго по назначению. Упакованные в мембранные пузырьки или трубочки агрессивные бактерициды нейтрофилов при этом не разбавляются и не повреждают окружающие ткани.

paciBftp Х-откса

[.........j !:'М2 ffjNqvuuiL

ЩШ Ш2 „ейгрцфит

; ис1г,рофиж' > а иржуюв

Роль NO в адгезионных взаимодействия нейтрофилов с клетками и бактериями

Наши эксперименты показали, что N0 не только обладает способностью индуцировать на поверхности нейтрофилов образование цитонем, (Рис. 1 Е), но и играет важную роль в образовании цитонем под действием других агентов. Подавление синтеза N0 при помощи метилового эфира Ыш-нитро-Ьаргинина (L-NAME) блокировало образование цитонем, индуцированное ВРВ и другими агентами. На метаболическом уровне способность NO индуцировать образование цитонем может реализоваться через ранее обсуждавшийся механизм - через подавление активности V-типа АТФаз или гликолитического фермента GAPDH. Литературные данные указывают, что N0 обратимым образом подавляет активность V-типа АТФаз, способствуя образованию дисульфидной связи между цистеиновыми остатками в активном центре энзима (Forgac, 1999), а также ингибирует GAPDH, стимулируя связывание NAD, кофактора GAPDH, с ферментом (Wu, et al., 1997).

Проведенные исследования продемонстрировали, что индуцируя образование цитонем на поверхности нейтрофилов, N О трансформирует адгезионные взаимодействия нейтрофилов с клетками (другими нейтрофилами или эритроцитами) и патогенными микроорганизмами (дрожжами и бактериями).

Нейтрофилы, прикрепившие к фибронектину в контрольных условиях, фагоцитируют

(поглощают) частицы зимозана (частицы высушенных дрожжей, покрытые сывороткой крови) и не взаимодействуют с эритроцитами (Рис.13, правая колонка). Однако, в присутствии донора N0

нейтрофилы связывают зимозан и эритроциты при помощи цитонем, образовавшихся под действием N0 (Рис. 13, левая колонка).

N0 играет важную роль в защите организма от бактериальных инфекций, в частности от сальмонеллеза. Многие патогенные бактерии, включая Salmonella, оснащены NO-метаболизирующим ферментом, как то флавогемоглобин Hmt.

Я Ж уЯЯ

Рис. 13. Взаимодействие нейтрофилов человека с частицами опсонизированного зимозана и эритроцитами в контрольных условиях (А, С) и в присутствии 1 мМ донора N0 диэтиламин ИОЫОата.

Утрата этого фермента у мутантных линий Salmonella приводит к потере вирулентности бактериями. Считается, что N0 оказывает защитное действие на организм, повышая бактерицидную активность фагоцитов (макрофагов и нейтрофилов). Предполагается, что динамическое взаимодействие между N0 радикалами и реактивными формами кислорода, продуцируемыми фагоцитами, определяют способность фагоцитов уничтожать бактерии.

ÄCiÄ iJsS.

Рис. 14. Изучение влияния N0 на взаимодействие нейтрофилов человека с бактериями Б. ТурЫтипит при помощи сканирующей электронной микроскопии. Нейтрофилы прикреплялись к субстрату, покрытому фибронектином, в течение 15 мин в контрольных условиях (А - С) или в присутствии 1 шМ донора N0 диэтиламин ЖЖОата (Т> - й). Затем были добавлены опсонизированные сывороткой крови бактерии (В, С, Е - й) или такой же объем буфера (А, О). Тонкие стрелки указывают на «раффлы», остающиеся на поверхности клеток в местах, где были фагоцитированы бактерии, толстые стрелки на бактерии, прикрепившиеся к клеткам, а наконечники стрелок на клетки, которые утеряли распластанную морфологию после поглощения нескольких бактерий (В, С). Стрелки указывают на агрегаты бактерий (в).

Мы предполагаем, что повышение бактерицидной функции нейтрофилов под действием N0 может быть обусловлено образованием цитонем и изменением

механизма связывания патогенов нейтрофилами. Изучение взаимодействия нейтрофилов с бактериями Salmonella enterica serovar Typhimurium вирулентной линии С53 показало, что в контрольных условиях бактерии или остаются на поверхности клеток или фагоцитируются (поглощаются) нейтрофилами (Рис. 14 А, В, С), оставляя на поверхности клеток характерные структуры - раффлы (белые стрелки). Нейтрофилы, фагоцитировавшие много бактерий, теряют распластанную морфологию и сжимаются (наконечники стрелок). В присутствии N0 донора дизтиламин NONOaTa (Рис. 14 D-G) нейтрофилы связывают и агрегируют бактерии при помощи цитонем на значительном удалении от тела нейтрофилов.

Используя изображения, полученные при помощи сканирующей электронной микроскопии, мы подсчитали число нейтрофилов, фагоцитировавших бактерии (то есть количество нейтрофилов с раффлами на поверхности) в контрольных условиях, в присутствии дизтиламин NONOaTa или L-NAME, ингибитора синтеза NO (Табл. 2). В присутствии L-NAME количество фагоцитировавших бактерии клеток было статистически достоверно повышено по сравнению с контролем.

Воздействие Число клеток с «раффлами», % от общего числа клеток

Контроль 40 ±5

L-NAME, 200 рМ 60 ±7*

Дизтиламин NONOaT, 1 шМ 34 ±5

Табл. 2. Действие донора N0 дизтиламин ЫОЫОата и ингибитора N0- синтетаз Ь-ЫАМЕ на фагоцитоз бактерий 5. ТурЫтипит. Нейтрофилы прикреплялись к субстрату, покрытому фибронектином, в течение 15 мин в контрольных условиях, в присутствии Ь-МАМЕ или дизтиламин ИОЫОата. Затем были добавлены бактерии (в соотношении бактерии:клетки 20:1). Клетки были проинкубированы еще 5 мин при 370С и зафиксированы для электронной микроскопии. Сканирующие электронные изображения были использованы для подсчетов. * Р<0.01 по сравнению с контрольным значением.

Таким образом, мы продемонстрировали, что N0 индуцирует образование цитонем и связывание бактерий цитонемами. С другой стороны подавление синтеза N0 приводило в наших экспериментах к стимуляции фагоцитоза бактерий нейтрофилами. Эти данные демонстрируют, что в присутствии N0 адгезионные взаимодействия нейтрофилов с бактериями смещаются от фагоцитоза в сторону экстраклеточного связывания бактерий при помощи цитонем. Мы показали, что

цитонемы представляют собой секреторные структуры нейтрофилов, поэтому можно сказать, что N0 может переключать механизм адгезионных взаимодействий нейтрофилов, изменяя механизм секреции нейтрофилов.

Наша гипотеза хорошо согласуется с многочисленными данными о способности N0 блокировать поздние стадии экзоцитоза (опустошение гранул) в хромафинных клетках, ингибировать экзоцитоз Вибель-Палади телец в клетках эндотелия, подавлять секрецию лизосомальных и а-гранул тромбоцитов, а также цитолитических гранул активированных лимфокинами клеток-киллеров . Связывание бактерий цитонемами - альтернативный фагоцитозу механизм захвата и уничтожения патогенов

Согласно нашим исследованиям, связывание бактерий цитонемами не является начальной стадией фагоцитоза бактерий, но приводит к слущиванию цитонем с поверхности клеток вместе со связанными ими бактериями. Уничтожение бактериальных патогенов при этом осуществляется бактерицидами нейтрофилов, которые в результате набухания и лизиса цитонем высвобождаются в непосредственной близости от связанных цитонемами бактерий.

Рис. 15. Взаимодействие нейтрофилов с бактериями S. Typhimurium в присутствии ВРВ. Клетки

прикреплялись к покрытому

фибронектином субстрату в течение 15 мин в присутствии 10 цМ ВРВ (A-F). Затем S. Typhimurium (соотношение бактерии:клетки 20:1) (В - F) или такой же объем буфера (А) были добавлены. Клетки инкубировали с бактериями 5 мин при 37 ОС и, затем, фиксировали для электронной микроскопии. Для сохранности цитонем 25 цг/мл сульфатидов бычьего мозга (С) или 25 рг/мл сульфата холестерина (D) были добавлены к клеткам перед экспериментом. В других случаях 5 цг/мл BODIPY-сульфатидов было добавлено к клеткам в конце эксперимента перед фиксацией клеток (Е, F). Стрелки указывают на характерные углубления, появляющиеся на поверхности нейтрофилов (F).

Цитонемы, образовавшиеся в наших экспериментах на поверхности нейтрофилов в присутствии ВРВ, оказывались полностью разрушенными после 5

мин инкубации с бактериями (Рис. 15 А, и 15 В). Для того чтобы проследить, что происходит с цитонемами при взаимодействии с бактериями, мы блокировали разрушение цитонем при помощи сульфатидов. Ранее мы обнаружили, что сульфатированные липиды, такие как сульфатиды из мозга быка или флуоресцентный ВСЮ1РУ-сульфатид, защищают цитонемы от разрушения при фиксации и высушивании клеток в процессе подготовки к электронной микроскопии. Защитное действие этих липидов, возможно, связано с их способностью ингибировать сериновые протеазы или сиалидазы. В том случае, когда мы добавляли сульфатированные липиды к клеткам перед экспериментом, чтобы защитить цитонемы от разрушения бактериями, мы наблюдали связывание бактерий частично сохранившимися цитонемами (Рис. 15 С). Когда мы добавляли сульфатированные липиды в конце эксперимента перед фиксацией клеток, чтобы защитить цитонемы от разрушения при подготовке к электронной микроскопии, мы наблюдали спущенные с клеток цитонемы вместе со связанными ими бактериями (Рис. 15 й-Р). Таким образом, в результате взаимодействия нейтрофилов с бактериями происходит слущивание цитонем нейтрофилов вместе со связанными ими бактериями, разрушение цитонем и высвобождение бактерицидных агентов нейтрофилов вблизи связанных цитонемами бактерий.

Проведенные нами эксперименты продемонстрировали присутствие бактерицидов первичных и вторичных гранул нейтрофилов в цитонемах, а также показали способность экстраклеточной среды нейтрофилов, обогащенной цитонемами и продуктами их разрушения, подавлять рост бактерий. Базируясь на этих данных, мы полагаем, что связывание бактерий цитонемами представляет собой природный альтернативный фагоцитозу механизм экстраклеточного устранения патогенных бактерий. Уничтожение связанных цитонемами бактерий происходит бактерицидными агентами, высвобождающимися из разрушающихся цитонем. Такой механизм имеет ряд преимуществ перед фагоцитозом. Цитонемы многократно расширяют пространство, в котором патогены будут доступны нейтрофилам. Бактерициды высвобождаются в непосредственной близости от связанных бактерий, не претерпевая существенного разбавления в среде и не разрушая окружающие ткани. При этом бактерии не попадают в клетки, где они могут выживать и размножаться.

Экстраклеточный механизм захвата и уничтожения бактериальных патогенов при помощи цитонем принципиально отличается, хотя формально и напоминает, механизм уничтожения бактерий при помощи так называемых

«экстраклеточных уздечек нейтрофилов», описанных А. Жихлинским с соавторами (Brinkmann, et al., 2004). Главное различие заключается в том, что цитонемы являются динамичными мембранными структурами живых нейтрофилов. Диаметр цитонем колеблется в пределах 150 - 250 нм. Цитонемы содержат агрессивные бактерициды нейтрофилов, которые «упакованы» в липидную мембрану, и, следовательно, не поражают ткани организма. «Экстраклеточные уздечки» Жихлинского формируются из продуктов разрушения нейтрофилов, погибших в результате многочасовой (4-6 часов) инкубации нейтрофилов в присутствии форболового эфира в чашках Петри без белкового покрытия. «Экстраклеточные уздечки» описаны как 15 нм в диаметре тяжи, состоящие из хроматина и гранулярных белков нейтрофилов, способные убивать бактерии. Вопрос о том, происходит ли образование «экстраклеточных уздечек» в живых тканях и насколько эффективны такие структуры в защите организма от бактериальных инфекций остается открытым. Разрушение нейтрофилов в живых тканях и высвобождение крайне агрессивных бактерицидных агентов может нанести такое поражение окружающим тканям, которое будет несопоставимо с вкладом «уздечек» в уничтожение бактерий.

Цитонемы бактерий

А: кошропь+S. Typhimuriuift щ

В: ВРВ + S. Typhimurium Г:контроль G: ВРВ

,„ t— jm| г

) / t

Рис. 16. Изображения адгезионных тубулярных структур бактерий, которые прикрепляют бактерии к контрольным нейтрофилам (А), к цитонемам нейтрофилов (Б), к другим бактериям (В, Г) и к субстрату между нейтрофилами (Г, Д). Изображения получены при помощи сканирующей электронной микроскопии. Нейтрофилы прикреплялись к субстрату, покрытому фибронектином, в контрольных условиях (А, Г) или в присутствии в присутствии ВРВ (Б, В, Д) в течение 15 мин, затем к клеткам добавили бактерии 5. ТурЫтипит и инкубировали еще 5 мин.

Известно, что бактерии взаимодействуют между собой и со своим1 окружением при помощи множества тубулярных бактериальных структур, таких как флагеллы (15 - 20 нм в диаметре), пили (6 - 7 нм в диаметре) и еще более мелкие структуры. Ранее было показано также, что контакт с культивируемыми клетками эпителия индуцировал образование на поверхности грамотрицательных бактерий Salmonella Typhimurium тубулярных коннектив, имеющих 60 нм в диаметре, строение которых не было изучено.

Методом сканирующей электронной микроскопии мы обнаружили, что взаимодействие с нейтрофилами также стимулирует в бактериях Salmonella Typhimurium образование тубулярных структур, при помощи которых бактерии прикреплялись к клеткам, другим бактериям и окружающему субстрату (Рис. 16). Диаметр тубулярных структур, измеренный на электронномикроскопических изображениях, колебался в наших экспериментах в пределах 60-70 нм. Эти тубулярные структуры по свойствам были подобны цитонемам нейтрофилов, то есть могли достигать экстраординарной длины (несколько клеточных диаметров бактерий), имели единый диаметр вдоль всей длины, были гибкими и были подвержены слущиванию с поверхности бактерий (Рис. 16). Мы сравнили эти тубулярные структуры стубулярными коннективами, которые связывали бактерии в биопленках, выращенных на желчных камнях, агаре или покровных стеклах.

Многие исследователи наблюдали, что бактерии в биопленках контактируют

при помощи длинных тубулярных структур, но никто не измерял диаметр этих структур, по традиции предполагая, что это флагеллы. Мы измерили диаметр тубулярных структур, соединяющих между собой бактерии S. Typhimurium в биопленках. В работе использовались биопленки, выращенные на желчных камнях человека, которые были изъяты при операциях из желчного пузыря больных желчнокаменной болезнью. Предполагается, что

Рис. 17. Изображения биопленок бактерий S. Typhimurim, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии. Биопленки бактерий штаммов С53 (А, С) и SJW 880 (В, D) выращивали в течение трех дней на поверхности желчных камней человека.

именно на желчных камнях переживают бактерии, которые служат причиной хронического течения многих инфекций. Наши измерения, произведенные на изображениях, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии, показали, что в биопленках бактерии контактируют между собой при помощи тубулярных структур, имеющих диаметр 60-70 нм. Мы сравнили биопленки, образованные бактериями вирулентного штамма С53, с биопленками, образованными бактериями штамма SJW 880, которые имеют мутацию в гене flaR, вследствие чего потеряли способность образовывать филаменты флагелл. Бактерии этого мутантного штамма образовывали небольшие колонии, в которых бактерии контактировали между собой также при помощи тубулярных структур 6070 нм в диаметре (Рис. 17).

Таким образом, мы показали, что тубулярные коннективы бактерий в биопленках превышают в три раза флагеллы в диаметре и образуются как в бактериях флагеллярных штаммов, так и в мутантных бактериях, лишенных

флагелл. Мы предположили, что эти коннективы, подобно цитонемам нейтрофилов,

представляют собой

мембранные трубочки. Для того, чтобы продемонстрировать

мембранную природу

тубулярных коннектив бактерий, мы изучали при помощи трансмиссионной электронной микроскопии тонкие срезы биопленок бактерий S.

Typhimurium.

Длинные и тонкие мембранные структуры легко разрушаются при фиксации и в процессе подготовки образцов к электронной микроскопии.

Добавление к фиксирующему раствору ингибиторов

металлопротеиназ и сериновых

Рис. 18. Изображения тонких срезов биопленок бактерий S. Typhimurium, полученные при помощи трансмиссионной электронной микроскопии. Биопленки вирулентного С53 и мутантного SJW 880 штаммов были выращены в течение 24 часов на агаре. Бактерии фиксировали без добавления (В) и с добавлением ингибиторов металлопротеиназ и сериновых протеиназ (А, C-F). Черные стрелки показывают флагеллы, а черные головы стрелок мембранные трубочки.

протеиназ позволило сохранить не только 15-20 нм в диаметре флагеллы, но и фрагменты отходящих от тела бактерий мембранных трубочек с диаметром 60 -90 нм. Как видно на трансмиссионных электронных фотографиях, мембранные трубочки образуются как выступы наружной мембраны в бактериях как вирулентного С53 штамма, так и мутантного безфлагеллярного штамма SJW 880 S. Typhimurium (Рис. 18).

Рис. 19. Изображения мембранных тубулярных и везикулярных структур, выявленных в биопленках бактерий Б. Туршшпит штамма С53 между бактериями (А-О) при помощи трансмиссионной электронной

микроскопии. Филамент флагеллы представлен для сравнения (Н). Бактерии выращивали в течение трех дней на покровных стеклах и фиксировали с добавлением ингибиторов метаплопротеиназ и сериновых протеиназ.

IUJ1

50 60 70 80 90 100 110 120 Диаметр (нм)

Рис. 20. Распределение по величине диаметра тубулярных и везикулярных мембранных структур, расположенных между бактериями в биопленках й. Туртштшп штамма С53. Диаметры структур измеряли на изображениях, полученных при помощи

трансмиссионной электронной

микроскопии.

Согласно нашей гипотезе, тубулярные структуры, связывающие бактерии в биопленке, представляют собой гибкие мембранные цилиндры. Срезы таких цилиндров под разными углами могут представлять собой трубочки, овалы или кружки одного и того же диаметра. Трансмиссионный злектронномикроскопический анализ биопленок бактерий штамма С53, выращенных на покровных стеклах, выявил в просветах между бактериями

множественные мембранные трубочки, овалы и кружки (Рис. 19). Мы измерили

диаметры этих структур (для овалов был измерен минимальный диаметр) на трансмиссионных электронных изображениях и построили распределение этих структур по величине диаметра. Оказалось, что большинство этих мембранных структур имеет диаметр 60-70 нм. Это значение строго совпадает со значением диаметра тубулярных коннектив бактерий, измеренного на изображениях, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии (Рис. 20).

Сопоставляя результаты, полученные с помощью сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии, можно считать доказанным, что 60 нм в диаметре тубулярные структуры, соединяющие бактерии 5. ТурЫтипит в биопленках, представляют собой мембранные трубочки или мембранные цилиндры. Мы показали, что эти мембранные трубочки образуются из наружной мембраны бактерий & ТурЫтипит. По размерам и строению мембранные трубочки близки к структурам, описанным 50 лет тому назад и названным «мембранными ножнами флагелл». Электронномикроскопические исследования

ит

щмШМяРш!

' ¡4. ■:-.•«„: мш

«мяв

^^■в я в»

Рис. 21. Влияние супероксиданионрадикалов на адгезию нейтрофилов к монослою клеток первичного эндотелия. Правая колонка -клетки эндотелия инкубировали 20 мин при 370С в контрольных условиях (а) или (б, в, г) в присутствии супероксид-генерирующей смеси 100 рМ гипоксантина (ГК) и ксантиноксидазы (КО) в возрастающей концентрации (в скобках). Левая колонка - к клеткам эндотелия перед началом инкубации добавили суспензию нейтрофилов.

выявили в грамотрицательных бактериях мембранные тубулярные структуры, которые превосходили флагеллы в диаметре в 3-4 раза. Эти мембранные структуры окружали флагеллы как «мембранные ножны» и были сформированы как выступы наружной мембраны бактерий. Исследователи наблюдали также «мембранные ножны», которые не содержали филаментов флагелл и часто имели тубуловезикулярную структуру. Роль таких структур в физиологии бактерий не изучена. Изучение влияния N0 и супероксиданионрадикалов на

адгезию нейтрофилов человека к монослою клеток эндотелия

Сведения о роли N0 в биологии сосудов противоречивы. С одной стороны известно, что N0 может

избирательно подавлять р2-интегрин-зависимую адгезию, не влияя на селектин-зависимый роллинг нейтрофилов (Kubes, et al., 1994). С другой стороны молекула N0 является высокореактивным свободным радикалом, способным поражать клетки и ткани, и вступать в быстрое взаимодействие с супероксиданионрадикалами ( 02") с образованием токсического пероксинитрита (ONOO). Супероксиданионрадикалы 02", как и NO радикалы, продуцируются в физиологических условиях в кровеносных сосудах при участии нейтрофилов и клеток эндотелия, и играют важную роль в развитии сосудистых патологий при воспалениях и при нарушениях метаболизма (Segal, 2005). Токсическое действие •NO отмечалось преимущественно в условиях, когда происходит повышение продукции Юг". Поэтому предполагается, что многие биологические эффекты, приписываемые -NO, на самом деле вызваны пероксинитритом (ONOO") (Pacher, 2007).

Антитела к адгезионным рецепторам нейтрофилов Супероксид-индуцированная адгезия нейтрофилов, % от общего числа нейтрофилов Табл. 3. Действие моноклональных антител к интегринам и селектинам на адгезию нейтрофилов к эндотелию в присутствии ГК (100 мМ)-КО (0,05 ед./мл). Нейтрофилы были предварительно проинкубированы с 20 цг/мл иммуноглобулинов G1 или с 20 цг/мл моноклональных антител против В 2 интегринов (анти CD 11 a, CDllb, CDllc, CD18), В 1 интегринов (анти CD29), анти L или Р селектинов. *- Р<0.05.

Контроль (Ig Gl) 19±1.7

Анти-CDlla 14±1.9

Анти-CDllb 14±1.4

Анти-CDllc 16±2

Анти-CDIS 12±3*

Ahth-CD29 17±3.5

Анти-L селектин 20±2

Анти-Р селектин 13±2.4*

Ahth-CD18 + Анти-Р селектин 9±3.2*

В работе было изучено влияние -02", "N0 и ONOO" на адгезию нейтрофилов человека к монослою первичных эндотелиальных клеток человека при статических условиях. Целостность монослоя эндотелиальных клеток контролировалась при помощи фазово-контрастной и сканирующей электронной микроскопии. Количественное определение прикрепившихся нейтрофилов проводили путем измерения активности миелопероксидазы. -Ог" генерировали при помощи реакции гипоксантин-ксантиноксидаза (ГК-КО). В качестве источника ■N0 использовали 'N0 донор диэтиламин N©N08^ Так как радикалы 'N0 и Юг" с высокой скоростью взаимодействуют с образованием ONOO", повышение концентрации ОЫОО" достигалось одновременным добавлением супероксид-

генерирующей системы и донора окиси азота. В некоторых экспериментах был использован синтезированный препарат ONOO".

Наши эксперименты показали, что супероксид-продуцирующая смесь дозозависимым образом повышала адгезию нейтрофилов к монослою эндотелия (Рис 21 и 23). Фазово-контрастная (Рис. 21) и сканирующая электронная (Рис. 23) микроскопия показали, что под действием супероксида происходило разрушение монослоя клеток эндотелия и обнажались участки субстрата, где преимущественно и прикреплялись нейтрофилы. Прикрепившиеся нейтрофилы, в свою очередь, усугубляли процесс разрушения эндотелия. Супероксид-индуцированная адгезия нейтрофилов к эндотелию носила интегрин-зависимый характер, так как достоверно блокировалась моноклональными антителами к CD18 (общей цепи В2 интегринов нейтрофилов). Блокирующее действие на адгезию нейтрофилов оказывали также антитела к Р- селектинам, экспрессированным в клетках эндотелия (Табл. 3).

КО. 0.100 рл./м-п

Рис. 22. Влияние N0 донора и супероксид-продуцирующей системы ПС (ЮОрМ) и КО (концентрация указана на графике) на адгезию нейтрофилов к монослою клеток эндотелия.

Рис. 23. Влияние N0 донора на монослой клеток эндотелия (а, г) и на адгезию нейтрофилов к монослою клеток эндотелия в контрольных условиях (6, д) и в присутствии супероксид-продуцирующей системы (ГК-КО) (в, е). Изображения клеток получены при помощи сканирующей электронной микроскопии.

Присутствие донора 'N0, само по себе, не нарушало целостности монослоя

клеток эндотелия, но и защищало эндотелий от окислительной деструкции,

вызванной присутствием нейтрофилов или и/или супероксиданионрадикалов (Рис. 23). При одновременном действии с супероксид-генерирующей системой "N0 снижала адгезию нейтрофилов к эндотелию (Рис. 22). Результаты этих экспериментов свидетельствуют также об отсутствии токсического влияния ОМОО', образующегося при одновременном добавлении Юг' и 'N0 в реакционную смесь, на целостность монослоя эндотелиальных клеток и на адгезию нейтрофилов. Экзогенное добавление синтетического препарата ОМОО' также не приводило к повреждению монослоя эндотелия и незначительно влияло на адгезию лейкоцитов.

Наши результаты продемонстрировали, что именно

супероксиданионрадикалы, а не пероксинитрит вызывают деструкцию эндотелия и стимулируют интегрин-зависимую адгезию нейтрофилов к эндотелию. Более того, в наших экспериментах окись азота защищала эндотелий от поражения кислородными радикалами и предотвращала интегрин-зависимую адгезию нейтрофилов к монослою клеток эндотелия.

Выводы

1. Открыт и изучен принципиально новый дистанционный механизм адгезионных взаимодействий нейтрофилов с твердыми субстратами, клетками и бактериями при помощи нитевидных мембранных тубуловезкулярных структур (цитонем), диаметр которых варьирует в пределах 130-250 нм, а длина может многократно превышать диаметр нейтрофила.

2. Выявлен ряд агентов, способных индуцировать образование цитонем в нейтрофилах, в том числе природный регулятор адгезии лейкоцитов окись азота (N0).

3. Выявлены метаболические и ионообменные процессы, контролирующие образование цитонем в нейтрофилах. Формировании цитонем вызывают: (а) подавление транспорта и метаболизма глюкозы; (б) ингибирование АТФаз вакуолярного типа; (в); блокирование хлорных каналов; (г) замещение ионов в экстраклеточной среде на ионы К*; (г) деполимеризация актинового цитоскелета.

4. Доказано, что цитонемы являются секреторными структурами нейтрофилов, которые содержат белковые бактерицидные агенты и обладают способностью связывать и подавлять рост бактерий. Природным агентом, способным смещать взаимодействия нейтрофилов с бактериями от фагоцитоза к экстраклеточному связыванию бактерий цитонемами, является окись азота.

5. Клетки прокариот, подобно клеткам эукариот, могут контактировать на расстоянии при помощи мембранных тубулярных структур. Показано, что грамотрицательные бактерии устанавливают контакты с бактериями и клетками при помощи 60 нм мембранных трубочек, сформированных из наружной мембраны клеточной стенки бактерий.

6. Окись азота не оказывает токсического действия на клетки эндотелия, способствует сохранению целостности монослоя эндотелия, подвергнутого действию супероксиданионрадикалов, и снижает интегрин-зависимую адгезию нейтрофилов к эндотелию, индуцированную супероксиданионрадикалами.

Список публикаций по теме диссертации

Статьи в рецензируемых журналах:

(жирным шрифтом выделены статьи, вошедшие в «Pubmed»)

1. Galkina SI, Fedorova NV, Stadnichuk VI, Sud'ina GF. (2013) Membrane tubulovesicular extensions (cytonemes): Secretory and adhesive cellular organelles. Cell Adh. Migr. 7(2), 174-86. Review.

2. Galkina SI, Fedorova NV, Serebryakova MV, Romanova JM, Golyshev SA, Stadnichuk VI, Baratova LA, Sud'ina GF, Klein T (2012) Proteome analysis identified human neutrophil membrane tubulovesicular extensions (cytonemes, membrane tethers) as bactericide trafficking. Biochim Biophys Acta. 1820(11), 1705-1714.

3. Galkina SI, Romanova JM, Bragina EE, Tiganova IG, Stadnichuk VI, Alekseeva NV, Polyakov VY, Klein T. (2011) Membrane tubules attach Salmonella Typhimurium to eukaryotic cells and bacteria. FEMS Immunol Med Microbiol. 61(1), 114-24.

4. Zagryazhskaya AN, Lindner SC, Grishina ZV, Galkina SI, Steinhilber D, Sud'ina GF. (2010) Nitric oxide mediates distinct effects of various LPS chemotypes on phagocytosis and leukotriene synthesis in human neutrophils. Int J Biochem Cell Biol. 42(6), 921-931.

5. Galkina SI, Stadnichuk VI, Molotkovsky JG, Romanova JM, Sud'ina GF, Klein T. (2010) Microbial alkaloid staurosporine induces formation of nanometer-wide membrane tubular extensions (cytonemes, membrane tethers) in human neutrophils. Cell Adh Migr. 4(1), 32-38.

6. Galkina SI, Romanova JM, Stadnichuk VI, Molotkovsky JG, Sud'ina GF, Klein T. (2009) Nitric oxide-induced membrane tubulovesicular extensions (cytonemes) of human neutrophils catch and hold Salmonella enterica serovar Typhimurium at a distance from the cell surface. FEMS Immunol Med Microbiol. 56(2):162-71.

7. Galkina SI, Sud'ina GF, Klein T. (2006) Metabolic regulation of neutrophil spreading, membrane tubulovesicular extensions (cytonemes) formation and Intracellular pH upon adhesion to fibronectin. Exp Cell Res. 312(13):2568-2579.

8. Galkina SI, Molotkovsky JG, Ullrich V, Sud'ina GF. (2005) Scanning electron microscopy study of neutrophil membrane tubulovesicular extensions (cytonemes) and their role in anchoring, aggregation and phagocytosis.The effect of nitric oxide. Exp Cell Res. 304(2):620-9.

9. Galkina SI, Dormeneva EV, Bachschmid M, Pushkareva MA, Sud'ina GF, Ullrich V. (2004) Endothelium-leukocyte interactions under the influence of the superoxide-nitrogen monoxide system. Med Sci Monit. 10(9):BR307-16.

10. Sud'ina GF, Brock TG, Pushkareva MA, Galkina SI, Turutin DV, PetersGolden M, Ullrich V. (2001) Sulphatides trigger polymorphonuclear granulocyte spreading on collagen-coated surfaces ad inhibit subsequent activation of 5-lipoxygenase. Biochem J. 359(Pt 3):621-9.

11. Galkina SI, Sud'ina GF, Ullrich V. (2001) Inhibition of neutrophil spreading during adhesion to fibronectin reveals formation of long tubulovesicular cell extensions (cytonemes). Exp Cell Res. 266(2):222-8.

12. Sud'ina GF, Pushkareva MA, Galkina SI, Surkov SA, Mehl M, Ullrich V. (1999) Effects of suramin on PMN interactions with different surfaces. Biosci Rep, 19(6):547-58.

13. Sud'ina GF, Galkina SI, Margolis LB, Ullrich V. (1998) Dependence of neutrophil activation on cell density and adhesion. Cell Adhesion and Communication. 5: 27-37.

14. Sud'ina GF, Mirzoeva OK, Galkina SI, Pushkareva MA, Ullrich V. (1998) The involvement of ecto-ATPase and extracellular ATP in polymorphonuclear granulocyte-endothelial interactions. FEBS Lett. 423(2): 243-248.

15. Galkina SI, Sud'ina GF and Margolis LB (1996) Regulation of intracellular pH by phospholipase A2 and protein kinase С upon neutrophil adhesion to solid substrata. FEBS Lett. 393:117-120.

16. Galkina SI, Sud'ina GF and Margolis LB. (1995) Regulation of intracellular pH by cell-cell adhesive interactions. FEBS Lett. 374:17-20.

17. Галкина СИ, Судьина ГФ, Марголис ЛБ. (1993) Влияние межклеточных взаимодействий на стимуляцию нейтрофилов и фибробластов. Роль внутриклеточного рН. Биологические мембраны. 10: 20-29

18. Galkina SI, Sud'ina GF and Margolis LB. (1992) Cell-cell contacts alter intracellular pH. Exp. Cell Res. 200: 211-214.

19. Галкина СИ, Будунова ИВ, Судьина ГФ, Байбаков БА, Марголис ЛБ. (1992) Межклеточные контакты и межклеточная сигнализация. Биологические мембраны. 8:1715-1717.

20. Галкина СИ, Судьина ГФ, Марголис ЛБ. (1991) Влияние адгезионных взаимодействий клеток на активацию Na+/H+ антипортера нейтрофилов и фибробластов. Биологические мембраны. 8(6): 621-627.

21. Пирузян ЛА, Галкина СИ. (1991) Влияние аспирина и индометацина на внутриклеточный рН и стимуляцию Na*/H* антипортера клеток. Известия Академии наук СССР, серия биологическая. 2,169-175.

Главы в книгах:

22. Galkina SI, Stadnichuk VI, Pushkareva MA, Romanova YM, Sud'ina GF. (2008) Membrane Tubulovesicular Extensions (Cytonemes) of Human Neutrophils and Their Role in Neutrophil Adhesion and Phagocytosis. Long-Distance Catching of Bacteria as Alternative of Phagocytosis. In: "New Research on Innate Immunity", edited by Durand M and Morel CV. Nova Science Publishers, Inc. P. 203-225.

23. Galkina SI.,Bogdanov AG, Davidovich FN, Sud'ina GF. (2006) Cytonemes as cell-cell channels in human blood cells. In: "Cell-cell channes", edited by Baluska F, Volkmann D, Barlow PW. Landes Bioscience/Springer. P. 236-244.

Подписано в печать:

20.06.2014

Заказ № 10072 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Информация о работе

Галкина, Светлана Ивановна
доктора биологических наук
Москва, 2014
ВАК 03.03.04

Автореферат

Дистанционные взаимодействия нейтрофилов человека с клетками и бактериями, опосредованные мембранными тубуловезикулярными секреторными структурами (цитонемами) - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы