Туннельные нанотрубочки - способ взаимодействия клеток

Туннельные нанотрубочки – мембранные трубочки, связывающие клетки друг с другом. Они разнообразны по структуре и химическому составу мембраны. Подобные структуры найдены у простейших и у бактерий, это эволюционно древний способ взаимодействия клеток. В организме млекопитающих туннельные нанотрубочки найдены у нейронов, миелоидных и лимфоидных клеток, миоцитов и клеток эндотелия. Они переносят органеллы, компоненты мембраны и цитоплазмы, ионы кальция, участвуют в работе иммунной системы, эмбриогенезе, регенерации, передаче электрического сигнала, задействованы они и в распространении патогенов, в том числе вирусов, бактерий и прионов.

Туннельные нанотрубочки могут иметь протяжённость до 100 мкм в длину и диаметр от 50 до 200 нм, они могут быть и замкнутыми и открытыми на конце. Просвет туннельных нанотрубочек пронизывают цитоскелетные структуры. Практически всегда обнаруживается F-актин, который участвует в их формировании и поддерживает их структуру. Нанотрубочки, содержащие в просвете только актин переносят те или иные структуры в одном направлении, от клетки-донора к клетке-реципиенту. Двунаправленный транспорт возможен по нанотрубочкам, содержащим микротрубочки и актин. Присутствие микротрубочек, кроме того, стабилизирует нанотрубочки. В клетках одного и того же типа могут формироваться туннельные нанотрубочки различной структуры. Транспорт по нанотрубочкам – активный энергозависимый процесс, он осуществляется специальными белками, переносящими грузы по цитоскелету, а не путём диффузии.
Вероятно, нанотрубочки являются эволюционно-древними структурами. Клетки Bacillus subtilis при росте на твёрдой поверхности формируют структуры, подобные нанотрубочкам, взаимодействуя с бактериальными клетками, в том числе и других видов. По ним проходят компоненты цитоплазмы и плазмиды. При размножении в теле копара, структуры, подобные нанотрубочкам, формируются между клетками малярийного плазмодия. Они также содержат F-актин. Их окончания замкнуты, и передачи каких-либо веществ по ним пока не описано, но на их концах сосредоточены рецепторы, и, вероятно, они участвуют в межклеточнх взаимодействиях. Плазмодесмы -  микроскопические цитоплазматические мостики, соединяющие соседние клетки растений, они проходят через канальцы поровых полей первичной клеточной стенки. Описаны они гораздо раньше нанотрубочек, поскольку являются более стабильными, их положение ограничено клеточными стенками, в то время как нанотрубочки млекопитающих могут быстро собираться и разбираться. Эти структуры, однако, имеют ряд общих черт. Например, транспорт молекул через них проходит по актиновому цитоскелету.

Один из путей формирование нанотрубочек – рост тонких выростов клетки, филлоподий. Филлоподии растут путём полимеризации актина, по направлениям градиентов тех или иных веществ и факторов роста. Нанотрубочки могут также сохраняться при прекращении контакта между клетками и использоваться для контакта с другими клетками вторично. Слияние также может проходить по-разному, спонтанно или опосредовано теми или иными молекулами, с затратой энергии.

Роль туннельных нанотрубочек в работе различных систем организма велика. Например, нанотрубочки принимают участие в формировании иммунных синапсов между различными клетками иммунной системы. Они участвуют в работе механизмов, активирующих Т-клеточный ответ, и в процессах его остановки. Возможно, по сходному пути идёт и взаимодействие опухолевых клеток с Т-клетками, позволяющее им уходить от уничтожения иммунной системой. Натуральные киллеры используют нанотрубочки для цитотоксического воздействия на клетки организма.
Т-клетки, макрофаги, стволовые клетки и клетки эпителия способны передавать митохондрии по туннельным нанотрубочкам в соседние клетки. Совместное культивирование эмбриональных предшественников эндотелия и кардиомиоцитов перепрограммирует эндотелиальные клетки на дифференцировку с формированием миоцитоподобного фенотипа путём переноса митохондрий. Также может восстанавливаться способность клеток к дыханию при повреждении. В нейронах формирование нанотрубочек стимулируется окислительным стрессом, вероятно, роль нанотрубочек – перенос веществ к повреждённым клеткам от здоровых. При стрессе также возможен перенос в повреждённую клетку эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, эндосом и митохондрий. Не совсем ясно, какая клетка, повреждённая или здоровая, начинает формирование нанотрубочек, но более вероятно, что это повреждённая клетка. Туннельные нанотрубочки передают электрические сигналы между клетками, не имеющими нервной природы. Нанотрубочки щелевых контактов проводят электрический сигнал, воздействующий на потенциал-зависимые кальциевые каналы. Деполяризация мембран в повреждённых областях и распространение электрического сигнала по нанотрубочкам участвует в процессах репарации.
Вирусы, проходящие по нанотрубочкам, тем не менее, должны контактировать с рецепторами на мембранах клеток для развития инфекции, в частности, это установлено для ВИЧ. Прионы распространяются различными путями – через синапсы, путём эндоцитоза, туннельные нанотрубочки не являются единственным путём их распространения, однако они играют определённую роль в этом процессе, а также, возможно, в поступлении прионов в клетки нервной системы. Альфа-синуклеин и белок tau, формирующие агрегаты при болезни Паркинсона и Альцгеймера соответственно, могую распространяться из клетки в клетку, используя нанотрубочки и нарушать структуры белков здоровой клетки, вызывая дальнейшее формирование агрегатов.
Сложность изучения туннельных нанотрубочек связана с их нестабильностью, под действием различных факторов их структура нарушается, и идентифицировать их становится сложно. Их открытие изменило взгляд на взаимодействие клеток, в частности – на передачу электрического сигнала. Наличие таких структур позволяет быстро передавать те или иные сигналы от клетки к соседним клеткам, и далее, передавать органеллы и молекулы цитоплазмы. Также понимание работы нанотрубочек позволило по-новому посмотреть на патогенез нейродегенеративных заболеваний и вирусных инфекций, таких как ВИЧ-инфекция.