VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Механизмы действия физико-химических факторов на биологические системы

Рецепция гравитационного поля клеткой: экспериментальные данные и возможный механизм

И.В. Огнева1*

1.Институт медико-биологических проблем РАН;

* iogneva(at)yandex.ru

Сила тяжести являлась одним из физических факторов, в условиях действия которого появилась и развивалась жизнь на Земле. Оставаясь постояннодействующей, эта сила оказывает существенное влияние на онтогенез всех видов и на некоторые аспекты жизнедеятельности человека. Поэтому покидание привычной среды обитания и пребывание длительное время, например, в условиях невесомости может приводить к негативным последствиям для здоровья и работоспособности человека, что существенно снижает возможности освоения дальнего космоса.

Клетка формируется в поле постояннодействующей силы тяжести. Соответственно, все внутриклеточные структуры должны иметь такие механические характеристики, чтобы именно в этом поле обеспечить поддержание формы и объема клетки. Также, скорость и направление метаболических процессов должны приводить к продукции достаточного количества макроэргов для осуществления всех процессов жизнедеятельности клетки в этом поле. Иными словами, структурно-функциональные возможности клетки «настроены» именно на то внешнее механическое поле, в котором эта клетка формировалась.

Однако, остается ключевой вопрос, каким образом одна и та же клетка воспринимает противоположные изменения внешнего поля, микрогравитацию и гипергравитацию. Иными словами, условный сенсор внешнего гравитационного поля должен иметь три модальности в зависимости от действующей силы тяжести: «E» состояние – та гравитация, в которой эта клетка сформировалась; «E+» состояние – гипергравитация относительно исходного состояния (если клетка была сформирована, например, в условиях невесомости, то сила тяжести Земли будет в этом случае гипергравитацией); «E–» состояние – состояние невесомости или микрогравитации относительно исходного состояния (для клетки, появившейся в условиях силы тяжести Земли, невесомость будет микрогравитацией; для клетки, сформированной, например, при вращении на центрифуге в условиях больше 1g, остановка центрифуги будет означать переход в «микрогравитационные» условия) (Ogneva I.V., 2022).

Такие условия, накладываемые на сенсор, ограничивают его выбор. Любое изменение поля внешней силы, в частности, силы тяжести, действующей на клетку, приведет к возникновению механической деформации. И действительно, при суборбитальном полете TEXUS-54 экспериментально было получено прямое свидетельство возникновения деформации – практически сразу было зафиксировано изменение формы клеток (Thiel CS et al., 2019).

Величина деформации объекта зависит от приложенной к нему силы и собственных механических характеристик объекта. Собственные механические свойства клеток определяются, в первую очередь, цитоскелетными структурами. Для клеток высших животных, имеющих развитую цитоскелетную сеть, большой интерес представляет концепция «tensegrity» (Ingber D.E. et al., 2014). Однако, в эволюционном ряду не все клетки имеют развитый цитоскелет, пронизывающий всю клетку, но все клетки имеют мембрану и связанный с ней кортикальный цитоскелет. Именно этот барьер отделяет внутриклеточное содержимое от внешней среды и позволяет поддерживать гомеостаз объема и формы клетки. Проведенный систематический анализ возможных гравирецепторов у эукариот свидетельствует о различных путях ответа на изменение гравитационного стимула, но, практически всегда опосредованного цитоскелетом. Следует отметить, что в эволюционном ряду ортологи могут принадлежать к разным цитоскелетным структурам, что, соответственно, может обусловливать широкий спектр возможных гравирецепторов у разных видов.

Поэтому, можно предложить рассмотреть в качестве первичного механосенсора кортикальный цитоскелет и связанную с ним мембрану (Ogneva I.V., 2022). Такой механосенсор может находиться в трех состояниях: недеформированное состояние, деформация растяжения или деформация сжатия при увеличении или уменьшении внешнего механического напряжения, например, при изменении силы тяжести. Следует отметить, что речь идет только о самых первых моментах изменения внешнего механического напряжения. Результаты математического моделирования и сопоставления с экспериментальными данными свидетельствуют о достаточной энергии деформации для диссоциации, например, от филаментов актина актин-связывающих белков.

Поскольку кортикальный цитоскелет неоднороден, то деформации растяжения и сжатия могут приводить к диссоциации различных белков. Например, при растяжении, могут диссоциировать белки, формирующие продольные структуры кортикального цитоскелета; при деформации сжатия – белки, заякоривающие цитоскелет к мембране. Эти белки могут сами играть сигнальную роль, могут взаимодействовать с участниками других сигнальных путей, приводя к изменению экспрессии генов-мишеней, регуляции трансляции и посттрансляционных модификаций, метаболических процессов в клетке. Кроме того, возможное изменение структуры цитоскелета может приводить к изменению проводимости ионных каналов, аффинности связывания сигнальных молекул, изменению локализации внутриклеточных структур (например, ядер или митохондрий). Все это вместе взятое приведет к формированию соответствующего адаптационного структурно-функционального паттерна клеток.

Работа поддержана программой фундаментальных исследований ГНЦ РФ – ИМБП РАН 65.4.

Reception of the gravitational field by the cell: experimental data and a possible mechanism

I.V. Ogneva1*

1.Institute for Biomedical Problems RAS;

* iogneva(at)yandex.ru

Gravity was one of the physical factors under which life appeared and developed on Earth. Remaining permanent, this force has a significant impact on the ontogenesis of all species and on some aspects of human life. Therefore, leaving the usual habitat and staying for a long time, for example, under weightlessness, can lead to negative consequences for human health and performance, which significantly reduces the possibility of deep space exploration.

The cell is formed in the field of constant gravity. Accordingly, all intracellular structures must have such mechanical characteristics in order to maintain the shape and volume of the cell in this field. Also, the speed and direction of metabolic processes should lead to the production of a sufficient amount of macroergs to carry out all the processes of the cell's vital activity in this field. In other words, the structural and functional capabilities of the cell are "tuned" precisely to the external mechanical field in which this cell was formed.

However, the key question remains how the same cell perceives opposite changes in the external field, microgravity and hypergravity. In other words, the sensor of the gravitational field must have three modalities depending on the gravity force: "E" state - the gravity in which this cell was formed; "E+" state - hypergravity relative to the initial state (if the cell was formed, for example, in weightlessness, then the gravity of the Earth will be hypergravity in this case); “E–” state is a state of weightlessness or microgravity relative to the initial state (for a cell that appeared under the conditions of the Earth’s gravity, weightlessness will be microgravity; for a cell formed, for example, when rotating on a centrifuge in conditions greater than 1g, stopping the centrifuge will mean a transition to "microgravity" conditions) (Ogneva I.V., 2022).

Such conditions imposed on the sensor limit its choice. Any change in the field of the external force, in particular, the force of gravity acting on the cell, will lead to the occurrence of mechanical deformation. Indeed, during the suborbital flight of TEXUS-54, direct evidence of the onset of deformation was experimentally obtained - a change in the shape of the cells was recorded almost immediately (Thiel CS et al., 2019).

The amount of deformation of an object depends on the force applied to it and the object's own mechanical characteristics. The intrinsic mechanical properties of cells are determined primarily by cytoskeletal structures. For cells of higher animals with a developed cytoskeletal network, the concept of "tensegrity" is of great interest (Ingber D.E. et al., 2014). However, in the evolutionary series, not all cells have a developed cytoskeleton that permeates the entire cell, but all cells have a membrane and a cortical cytoskeleton associated with it. It is this barrier that separates the intracellular contents from the external environment and allows maintaining the homeostasis of the volume and shape of the cell. The conducted systematic analysis of possible gravireceptors in eukaryotes indicates different ways of responding to changes in the gravitational stimulus, but almost always mediated by the cytoskeleton. It should be noted that, in the evolutionary series, orthologs can belong to different cytoskeletal structures, which, accordingly, can determine a wide range of possible gravireceptors in different species.

Therefore, it can be proposed to consider the cortical cytoskeleton and the membrane associated with it as the primary mechanosensor (Ogneva I.V., 2022). Such a mechanosensor can be in three states: undeformed state, tensile deformation or compressive deformation with an increase or decrease in external mechanical stress, for example, with a change in gravity. It should be noted that we are talking only about the very first moments of changes in external mechanical stress. The results of mathematical modeling and comparison with experimental data indicate sufficient strain energy for dissociation, for example, from actin filaments of actin-binding proteins.

Since the cortical cytoskeleton is heterogeneous, tensile and compressive deformations can lead to the dissociation of various proteins. For example, when stretched, proteins that form the longitudinal structures of the cortical cytoskeleton can dissociate; during compression deformation, proteins anchoring the cytoskeleton to the membrane. These proteins can themselves play a signaling role, can interact with participants in other signaling pathways, leading to changes in the expression of target genes, regulation of translation and post-translational modifications, and metabolic processes in the cell. In addition, a possible change in the structure of the cytoskeleton can lead to a change in the conductivity of ion channels, the binding affinity of signaling molecules, and a change in the localization of intracellular structures (for example, nuclei or mitochondria). All this taken together will lead to the formation of an appropriate adaptive structural and functional pattern of cells.

This work was financially supported by the program for fundamental research SSC RF – IBMP RAS 65.4.



Докладчик: Огнева И.В.
398
2022-11-13

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists