Слияние клеток — важный клеточный процесс , в котором несколько одноядерных клеток ( клеток с одним ядром ) объединяются, образуя многоядерную клетку, известную как синцитий . Слияние клеток происходит во время дифференциации миобластов , остеокластов и трофобластов , во время эмбриогенеза и морфогенеза . [1] Слияние клеток — необходимое событие в созревании клеток, чтобы они сохраняли свои специфические функции на протяжении всего роста .
В 1839 году Теодор Шванн в своих «Микроскопических исследованиях » расширил теорию о том, что все живые организмы состоят из клеток, добавив, что дискретные клетки являются основой жизни. Шванн заметил, что в некоторых клетках стенки и полости клеток сливаются ( verschmelzen ) вместе. [2] Это наблюдение дало первый намек на то, что клетки сливаются. Только в 1960 году клеточные биологи впервые намеренно слили клетки. Чтобы слить клетки, биологи объединили изолированные мышиные клетки и индуцировали слияние их внешней мембраны с помощью вируса Сендай (респираторный вирус у мышей). Каждая из слитых гибридных клеток содержала одно ядро с хромосомами от обоих партнеров по слиянию. Синкарион стал названием этого типа клеток, объединенных с ядром. В конце 1960-х годов биологи успешно слили клетки разных типов и разных видов. Гибридные продукты этих слияний, гетерокарион , были гибридами, которые поддерживали два или более отдельных ядра. Эту работу возглавили Генри Харрис из Оксфордского университета и Нильс Рингертц из Каролинского института Швеции. Эти двое мужчин возродили интерес к слиянию клеток. Гибридные клетки заинтересовали биологов в области того, как различные виды цитоплазмы влияют на различные виды ядер . Работа, проведенная Генри и Нильсом, показала, что белки из одного слияния генов влияют на экспрессию генов в ядре другого партнера, и наоборот. Эти созданные гибридные клетки считались вынужденными исключениями из нормальной клеточной целостности, и только в 2002 году возможность слияния клеток между клетками разных типов может иметь реальную функцию у млекопитающих. [3]
Гомотипическое слияние клеток происходит между клетками одного типа. Примером этого может служить слияние остеокластов или миофибрилл с соответствующими им типами клеток. Когда два ядра сливаются, образуется синкарион. Слияние клеток обычно происходит с ядерным слиянием, однако при отсутствии ядерного слияния клетка будет описана как двуядерный гетерокарион . Гетерокарион — это слияние двух или более клеток в одну, и он может воспроизводить себя в течение нескольких поколений. [4] Если две клетки одного типа сливаются, но их ядра не сливаются, то полученная клетка называется синцитием. [5]
Гетеротипическое слияние клеток происходит между клетками разных типов. Результатом этого слияния также является синкарион, полученный путем слияния ядер , и двуядерный гетерокарион при отсутствии ядерного слияния. Примером этого могут служить клетки, полученные из костного мозга (BMDC), которые сливаются с паренхиматозными органами. [6]
Существует четыре метода, которые используют клеточные биологи и биофизики для слияния клеток. Эти четыре способа включают электрическое слияние клеток, слияние клеток с полиэтиленгликолем и слияние клеток, вызванное вирусом Сендай , а также недавно разработанный метод, называемый оптически контролируемой термоплазмонкой.
Электрическое слияние клеток является важным шагом в некоторых из самых инновационных методов современной биологии. Этот метод начинается, когда две клетки контактируют посредством диэлектрофореза . Диэлектрофорез использует переменный ток высокой частоты, в отличие от электрофореза , при котором применяется постоянный ток. После того, как клетки соединены, подается импульсное напряжение. Импульсное напряжение заставляет клеточную мембрану проникать и последующее объединение мембран, а затем клетки сливаются. После этого на короткий период времени подается переменное напряжение для стабилизации процесса. Результатом этого является то, что цитоплазма смешивается , а клеточная мембрана полностью сливается. Все, что остается раздельным, — это ядра , которые сольются позже внутри клетки, в результате чего получится гетерокарионная клетка. [7]
Слияние клеток с полиэтиленгликолем является самым простым, но и самым токсичным способом слияния клеток. В этом типе слияния клеток полиэтиленгликоль, ПЭГ, действует как дегидратирующий агент и сливает не только плазматические мембраны, но и внутриклеточные мембраны. Это приводит к слиянию клеток, поскольку ПЭГ вызывает агглютинацию клеток и контакт клеток друг с другом. Хотя этот тип слияния клеток является наиболее широко используемым, у него все еще есть недостатки. Часто ПЭГ может вызывать неконтролируемое слияние нескольких клеток, что приводит к появлению гигантских поликарионов. Кроме того, стандартное слияние клеток с ПЭГ плохо воспроизводится, и разные типы клеток имеют различную восприимчивость к слиянию. Этот тип слияния клеток широко используется для производства гибридов соматических клеток и для переноса ядер при клонировании млекопитающих. [8]
Слияние клеток, вызванное вирусом Сендай, происходит на четырех различных температурных стадиях. На первой стадии, которая длится не более 10 минут, происходит адсорбция вируса, и адсорбированный вирус может быть ингибирован вирусными антителами . Вторая стадия, которая длится 20 минут, зависит от pH, и добавление вирусной антисыворотки все еще может ингибировать окончательное слияние. На третьей, рефрактерной к антителам стадии, компоненты вирусной оболочки остаются обнаруживаемыми на поверхности клеток. На четвертой стадии слияние клеток становится очевидным, и нейраминидаза HA и фактор слияния начинают исчезать. Первая и вторая стадии являются единственными двумя, которые зависят от pH. [9]
Термоплазмоника индуцированное слияние клеток Термоплазмоника основана на ближнем инфракрасном (БИК) лазере и плазмонной наночастице. Лазер, который обычно действует как оптическая ловушка, используется для нагрева наноскопической плазмонной частицы до очень высоких и чрезвычайно локально повышенных температур. Оптическое улавливание такого нанонагревателя на границе между двумя мембранными везикулами или двумя клетками приводит к немедленному слиянию двух, подтвержденному как содержанием, так и смешиванием липидов. Преимущества включают полную гибкость в выборе клеток для слияния, и слияние может быть выполнено в любых буферных условиях в отличие от электроформирования, на которое влияет соль.
Необходимы альтернативные формы восстановления функций органов и замены поврежденных клеток, поскольку донорские органы и ткани для трансплантации настолько редки. Именно из-за дефицита биологи начали рассматривать потенциал терапевтического слияния клеток. Биологи обсуждали последствия наблюдения, что слияние клеток может происходить с восстановительными эффектами после повреждения тканей или трансплантации клеток . Хотя использование слияния клеток для этого обсуждается и разрабатывается, все еще есть много проблем, с которыми сталкиваются те, кто хочет внедрить слияние клеток в качестве терапевтического инструмента. Эти проблемы включают выбор лучших клеток для использования для восстановительного слияния, определение наилучшего способа введения выбранных клеток в желаемую ткань, открытие методов увеличения частоты слияния клеток и обеспечение того, чтобы полученные продукты слияния функционировали должным образом. Если эти проблемы удастся преодолеть, то слияние клеток может иметь терапевтический потенциал. [10]
У растений слияние клеток происходит гораздо реже по сравнению с эукариотическими клетками, однако в некоторых ситуациях это происходит. Растительные клетки выработали уникальные методы слияния клеток, в значительной степени из-за клеточной стенки, которая окружает растительные клетки. Клеточная стенка в растительной клетке будет изменена перед слиянием, обычно становясь тоньше или даже образуя мост между клетками, которые собираются слиться. Слияние гамет также может происходить у растений. [11]
Слияние клеток стало областью фокусировки для исследований прогрессирования рака у людей. Когда несколько типов дифференцированных клеток сливаются, полученная клетка потенциально может быть полиплоидной. Полиплоидные клетки могут быть нестабильными из-за их различных генетических комбинаций, что часто может приводить к заболеванию клетки. Полиплоидные клетки также могут приводить к незапланированной эндорепликации, процессу, когда ДНК реплицируется внутри клетки без деления клетки, что было связано с развитием рака из-за увеличения генетической нестабильности внутри клетки. Метастазирование, распространение раковых клеток в различные области тела и одна из основных причин смерти, связанной с раком, является процессом, который связан со слиянием клеток. Клетки, полученные из костного мозга, сливаются с клетками злокачественной опухоли, создавая клетки, которые имеют черты каждой родительской клетки. Эти слитые раковые клетки обладают миграционными способностями, унаследованными от клеток, полученных из костного мозга (BMDC), что позволяет им перемещаться по всему телу. [12]
Плазмогамия — это стадия полового цикла грибов, при которой две клетки сливаются, разделяя общую цитоплазму, при этом гаплоидные ядра от обоих партнеров объединяются в одной клетке.
Слияние клеток (плазмогамия или сингамия) является стадией полового цикла амебозоа . [13]
У Escherichia coli спонтанный зигогенез (Z-спаривание) включает слияние клеток и, по-видимому, является формой истинной сексуальности у прокариот . Бактерии, которые осуществляют Z-спаривание, называются Szp + . [14]