Іони кальцію вивільняються з внутрішньоклітинної структури, яка називається ендоплазматичним ретикулумом (ЕР). Додаток сили (вплив кульки) створює фізичні іонні канали (позначено червоним) і включає механізм біохімічної сигналізації (позначено зеленим кольором нижче).
Зовнішній механічний вплив включає важливі для процесу диференціації сигнальні схеми в стовбурових клітинах. Про це свідчить експеримент, під час якого дослідники, очолювані біоінженером Інсяо Ваном (Yingxiao Wang) з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, надавали на клітку мініатюрною кулькою, яку утримує оптичний пінцет.
Стиснення призводить до звільнення іонів кальцію, що знаходяться всередині клітин, а також відкриває канали в клітинній мембрані, що дозволяє іонам потрапляти всередину клітини.
Відомо, що механічні сили, що впливають на стовбурові клітини, відіграють важливу роль у процесі утворення з цих клітин усіх видів тканин, але досі не було зрозуміло, як деякі з цих сил перетворюються на сигнал, який штовхає стовбурові клітини до будівництва нової тканини.
Результати роботи каліфорнійських вчених опубліковані в журналі eLife. Стаття відкриває подробиці функціональних механізмів, що стоять за диференціацією стовбурових клітин. Її автори вважають, що нове знання направить дослідників, які прагнуть відтворити ці механізми в лабораторії, щоб змусити стовбурові клітини розвиватися в тканині, які можуть бути використані в трансплантації.
«Фізичне оточення стовбурових клітин допомагає керувати їхньою долею, - пояснив Ван. - Клітини, що знаходяться в жорсткій тканині, наприклад, в кістках щелепи, перебувають під більш сильним тиском, що сприяє виробництву твердих тканин кістки».
Стовбурові клітини в середовищі з меншим тиском стають більш м'якою тканиною, наприклад, жировою.
Ван і його колеги хотіли дізнатися більше про те, як навколишні сили стають сигналом для стовбурових клітин до перетворення на вузькоспеціалізовані клітини і тканини. У їх експерименті тиску піддавалися мезенхімальні стовбурові клітини людини - тип стовбурових клітин, що виявляються в кістковому мозку, які перетворюються на кістки, хрящі і жир.
Було використано інструмент, відомий як «світловий пінцет»: сфокусований лазерний промінь, що дозволяє захопити крихітну кульку і маніпулювати ім. Кулькою надавали на клітинну мембрану з силою близько двохсот піконьютонів (піконьютон - одна трильйонна ньютона).
Коли поза клітиною немає іонів кальцію, іони кальцію звільняються з структури всередині клітини, яка називається ендоплазматичною мережею. Іони утворюються в результаті взаємодії внутрішніх структурних клітинних білків, з яких складається цитоскелет, з актоміозином. Коли в позаклітинному середовищі присутні іони кальцію, зовнішній вплив призводить до того, що цитоскелет пропускає їх всередину клітини.
Іони кальцію допомагають доставити ряд важливих клітинних сигналів. За словами Вана, «вони часто запускають молекулярний каскад всередині клітини і можуть посилати сигнали в клітинне ядро, які включають або вимикають експресію генів».
«Цей тип сигналізації може бути сполучною ланкою між механічними силами, що діють на стовбурові клітини, і перетворенням їх в інші типи клітин», - говорить Ван. У планах його дослідницької групи - вивчення впливу механічної сили на інші сигнальні шляхи в різних типах клітин.