Опору матрикса составляют каркасные белки. Это толстые нити, которые, сплетаясь в сети, придают ткани форму и прочность, как пружинные каркасы в старых кроватях. Самый известный из этих белков – коллаген, он отвечает за механическую устойчивость ткани. Другой – эластин – способен скручиваться и раскручиваться обратно и позволяет всей конструкции растягиваться. В зависимости от того, какого каркасного белка больше, ткань может быть более жесткой, как, например, кость, или тянущейся, как кожа.
К каркасу крепится вторая составляющая межклеточного вещества, которая служит для клеток мягким матрасом. Это протеогликаны – белки с длинными углеводными "хвостами", – которые заполняют бóльшую часть пространства между клетками. Молекулы углеводов хорошо притягивают к себе воду и превращаются в слизь. На самом деле, все типы слизи, которые мы встречаем в живых организмах – на коже лягушки или в носу человека, – образованы такими углеводными нитями. Протеогликаны не исключение: они притягивают к себе множество молекул воды и превращаются в слизистое желе, на котором, как на подушке, лежат клетки.
Протеогликановое желе служит амортизатором для хрупких органов. А большое количество воды в ткани может сделать ее прочной и практически несжимаемой – именно это происходит с хрящом, который на молекулярном уровне похож на пакет с водой. В то же время протеогликаны создают вокруг клетки водную среду: между их слизистыми нитями могут свободно перемещаться питательные вещества, газы и сигнальные молекулы. Самый известный протеогликан и обладатель самых длинных цепей – гиалуроновая кислота, та самая, которую часто используют в косметологии, как раз для того чтобы создать "подушку" под провисшей кожей. Не столь популярны, но знакомы всем любителям спорта три протеогликана размером поменьше: хондроитинсульфат, дерматансульфат и гепарансульфат. Их много в хрящевой ткани, поэтому врачи их назначают для восстановления поврежденных суставов.
Из этого базового набора молекул можно собрать разные варианты матрикса "под запрос". Если нам нужно жесткое межклеточное вещество, как в кости, берем много коллагена, мало эластина, совсем мало протеогликанов и покрываем коллагеновые нити кристаллами фосфата кальция. Если нужна мягкая прослойка между внутренними органами, добавляем побольше протеогликанов и эластина. Если требуется упругий хрящ, делаем ставку на протеогликаны.
Чтобы удерживаться внутри межклеточного вещества, клетки цепляются своими поверхностными молекулами за его нити. И это дает матриксу возможность непосредственно передавать сигналы своим обитателям и направлять их жизнь. Так, например, от матрикса зависит судьба стволовых клеток соединительной ткани: если посадить их на подложку разной жесткости, они могут превратиться
[215] в жировую ткань (если матрикс мягкий), или в мышечную (если более прочный), или в костную (если совсем жесткий).
Работает это приблизительно так: клетка "ощупывает" матрикс с помощью мембранных белков, к которым изнутри крепится клеточный скелет (цитоскелет) – внутренний белковый каркас клетки. Этот скелет, в свою очередь, связан с мембраной клеточного ядра, внутри которого есть собственный белковый каркас, ядерный скелет. А на ядерном скелете, как белье на веревке, развешаны нити ДНК. Когда внеклеточный матрикс натягивается, клетка изменяет форму, чтобы компенсировать возникшее напряжение. Это вызывает перестройку внутриклеточного, а затем и внутриядерного скелета – в результате одни участки ДНК (и гены, расположенные на них) становятся легко доступными для прочитывания, а другие отодвигаются в сторону. Так изменения в натяжении межклеточных волокон приводят к тому, что клетка начинает пользоваться новыми генами и выбирает себе новую профессию.
Кроме того, матрикс может запретить клетке размножаться – если в ткани нет свободных мест и все затянуто белковыми волокнами. А может и, наоборот, подстегнуть ее к делению: если внеклеточные нити распадаются на мелкие кусочки, например после травмы, то это сигнал о том, что в ткани появился пробел, который необходимо заполнить. Протеогликаны вместе с водой накапливают
[216] в своей слизи множество сигнальных веществ – факторов роста, про- и противовоспалительных белков и гормонов. Когда протеогликановая сеть разрушается, сигнальные вещества высвобождаются и действуют на клетки, а те, в свою очередь, начинают деление.
Таким образом, клетка внутри организма полностью зависима от своего микроокружения, или ниши, – межклеточного вещества и ближайших соседей. В разлуке со своей нишей многие клетки теряются и начинают вести себя непривычным образом. Например, кроветворные стволовые клетки сохраняют
[217] свои способности только в красном костном мозге. Если их оттуда вытащить и оставить, скажем, плавать в крови или поместить в другой орган, они могут начать неконтролируемо размножаться или превращаться в другие клеточные типы. То же происходит и с опухолевыми клетками. Когда они расселяются по организму (метастазируют), они приживаются
[218] далеко не в каждом месте, а только там, где попадается подходящая ниша – например, с достаточно мягким матриксом, который позволяет свободно размножаться и ползать. С возрастом связь клетки и ниши не теряется: когда матрикс деградирует, клетки стареют вслед за ним.
На руинах
С течением времени внеклеточный матрикс, как и любые другие макромолекулы, становится жертвой незапланированных химических реакций. Самая распространенная среди них – это гликирование, взаимодействие белков с сахарами. Мы уже встречались с этим процессом на внутриклеточном уровне, но для матрикса это куда более серьезная проблема. Сахарные сшивки между молекулами делают матрикс жестче, и деформированные белковые нити хуже взаимодействуют друг с другом. Такой матрикс легче сломать, а клетки хуже воспринимают его сигналы.
Восстановить поврежденный матрикс очень непросто. Это типичное проявление проблемы "тела на выброс" (о которой мы говорили применительно к клеточному мусору), с которой сталкивается любой многоклеточный организм. Клетка в силу своей способности размножаться может так или иначе решить проблему утилизации мусора. А матрикс – хоть и влиятельная, но неживая структура, которая не может обновляться самостоятельно. Как только организм строит себе внеклеточный скелет – что, конечно, прочно и выгодно, – его срок жизни начинает напрямую зависеть от сохранности скелета. И встает вечный вопрос многоклеточных существ: на что потратить энергию – на размножение или ремонт своей несущей конструкции?
