Если вы когда-нибудь задумывались, почему у нас на коже появляются мурашки, знайте, вы не одиноки — этим вопросом задавался даже Чарльз Дарвин, который размышлял о них в своих работах по эволюции. Мурашки на коже могут защитить животных с густой шерстью от холода, но мы, люди, похоже, не извлекаем из этой реакции нашего организма особой пользы — так почему же она сохранялась все время нашей эволюции?
Опубликованные в журнале Cell, эти результаты, полученные на мышах, дают исследователям лучшее понимание того, как различные типы клеток взаимодействуют, чтобы связать активность стволовых клеток с изменениями во внешней среде.
«Мы всегда были заинтересованы в понимании того, как поведение стволовых клеток регулируется внешними стимулами. Кожа — это удивительная система: она имеет множество стволовых клеток, окруженных различными типами клеток, и расположена на границе между нашим телом и внешним миром. Таким образом, ее стволовые клетки потенциально могут реагировать на различные стимулы как изнутри, так и извне», — сказал Я-Чи Хсу, адъюнкт-профессор, занимающийся стволовыми клетками и регенеративной биологии, который руководил исследованием в сотрудничестве с профессором Сун-Ян Линем из Национального Тайваньского университета. «В этом исследовании мы выявили интересную двухкомпонентную реакцию, которая не только регулирует стволовые клетки в устойчивом состоянии, но и модулирует поведение стволовых клеток в соответствии с изменениями температуры снаружи».
Система регулирования роста волос
Многие органы состоят из трех типов тканей: эпителия, мезенхимы и нерва. В коже они организованы в особом порядке. Симпатический нерв, часть нашей нервной системы, которая контролирует гомеостаз организма и наши реакции на внешние раздражители, соединяется с крошечной гладкой мышцей в мезенхиме. Эта мышца, в свою очередь, соединяется со стволовыми клетками волосяного фолликула — типом эпителиальных стволовых клеток, критически важных для регенерации волосяного фолликула, а также для заживления ран.
Связь между симпатическим нервом и гладкой мышцей хорошо известна, поскольку они являются клеточной основой мурашек: холод заставляет симпатические нейроны посылать нервный сигнал, и мышца реагирует, сокращаясь и заставляя волосы вставать дыбом. Однако при исследовании кожи с чрезвычайно высоким разрешением с помощью электронного микроскопа исследователи обнаружили, что симпатический нерв связан не только с мышцей, но и образует прямую связь со стволовыми клетками волосяного фолликула. На деле нервные волокна обернуты вокруг стволовых клеток волосяного фолликула, как лента.
1 — эпидермис, 2 — гладкая мышца, 3 — волосяной фолликул, 4 — дерма.
«Мы действительно смогли увидеть на ультраструктурном уровне, как взаимодействуют нерв и стволовая клетка. Нейроны, как правило, регулируют возбуждаемые клетки при помощи мышц и синапсов. Но мы были удивлены, обнаружив, что они образуют синапсоподобные структуры с эпителиальными стволовыми клетками, которые не являются типичными мишенями для нейронов», — сказал Хсу.
Затем исследователи подтвердили, что нерв действительно нацелен на стволовые клетки. Симпатическая нервная система обычно активна на постоянном низком уровне для поддержания гомеостаза организма, и исследователи обнаружили, что этот низкий уровень нервной активности поддерживает стволовые клетки в уравновешенном состоянии, готовом к регенерации. При длительном холоде нерв активизируется и начинает работать на гораздо более высоком уровне, из-за чего высвобождается большее количество нейромедиаторов, что заставляет стволовые клетки быстро активироваться, регенерируя волосяной фолликул и выращивая новые волосы.
Исследователи также выяснили, как поддерживаются нервные связи со стволовыми клетками волосяных фолликулов. Когда они удалили гладкую мышцу, соединенную с волосяным фолликулом, симпатический нерв перестал работать, и нервная связь со стволовыми клетками волосяного фолликула была потеряна. Это показывает, что мышца была необходимой структурной поддержкой, чтобы соединить симпатический нерв с волосяным фолликулом.
Как развилась такая система
В дополнение к изучению волосяного фолликула в его полностью сформированном состоянии, исследователи выяснили, как такая система формируется — иными словами, как мышцы и нервы достигают волосяного фолликула.
«Мы обнаружили, что сигнал исходит от самого развивающегося волосяного фолликула. Он выделяет белок, который регулирует образование гладкой мускулатуры, которая затем стимулирует развитие симпатического нерва. Затем у взрослого человека происходит обратное взаимодействие — нерв и мышца вместе регулируют стволовые клетки волосяного фолликула, чтобы создать новый волосяной фолликул. Получается замкнутый круг», — говорит Юлия Шварц, аспирант лаборатории Хсу.
В ответ на холод мышца (розовая) в волосяном фолликуле сокращается, что приводит к мурашкам. Но, кроме того, симпатический нерв (зеленый) высвобождает нейромедиаторы, которые активируют стволовые клетки волосяного фолликула (синие), заставляя их выращивать новые волосы.
Реакция на окружающую среду
С помощью этих экспериментов исследователи выявили двухкомпонентную систему, которая регулирует стволовые клетки волосяных фолликулов. Нерв является сигнальным компонентом, который активирует стволовые клетки с помощью нейромедиаторов, в то время как мышца является структурным компонентом, который позволяет нервным волокнам непосредственно соединяться со стволовыми клетками волосяных фолликулов.
«Вы можете регулировать стволовые клетки волосяного фолликула самыми разными способами, и они являются прекрасными моделями для изучения регенерации тканей», — сказала Шварц. «Эта специфическая реакция полезна для связи регенерации тканей с изменениями во внешнем мире, такими как температура. Это двухкомпонентная реакция: мурашки на коже — быстрый способ обеспечить некоторое облегчение в краткосрочной перспективе. Но когда ощущение холода сохраняется в течение длительного срока, это становится хорошим механизмом для активации стволовых клеток, сообщая им, что, возможно, пришло время генерировать новый волосяной покров».
В будущем исследователи продолжат изучать, как внешняя среда может влиять на стволовые клетки в коже, как в рамках гомеостаза, так и в ситуациях восстановления, таких как заживление ран.
«Мы живем в постоянно меняющейся среде. Поскольку кожа всегда находится в контакте с внешним миром, это дает нам возможность изучить, какие механизмы используют стволовые клетки в нашем организме для активации производства тканей под меняющиеся требования, что необходимо организмам для процветания в нашем динамичном мире», — сказал Хсу.
