Кости животных растут подобно растениям

Разные виды зверей сильно различаются пропорциями тела: достаточно взглянуть на кошку, летучую мышь и тушканчика. Очевидно, внешний облик животных не в последнюю очередь зависит от того, как формируются кости и как этот процесс регулируется. Однако, как ни удивительно, это довольно долго оставалось загадкой для исследователей, и работа учёных из Гарвардской медицинской школы (США) — едва ли не первая, где сделана попытка детально, на клеточном уровне описать процесс увеличения костей.

Клетки, удлиняющие нам кости, называются хондроцитами. В действительности они являются клетками хряща, составляя как бы форму и фундамент, на который потом будет накладываться твёрдый минеральный состав. Увеличение кости в длину, очевидно, происходит из-за деления хондроцитов, но также и из-за увеличения размеров самих клеток. Кимберли Купер и его коллеги решили проверить, как именно рост кости зависит от увеличения размеров отдельных клеток. Для этого они использовали любопытный метод, который позволял оценить размеры клетки по концентрации макромолекул внутри неё. В зависимости от этой концентрации меняются свойства проходящего через клетку луча света, и эти изменения регистрируются специальным микроскопом.

Хондроциты в толще хряща (фото Dr. John D. Cunningham).

В статье, опубликованной в Nature, описываются три стадии роста хондроцитов. На первом этапе в клетках поддерживается высокая концентрация макромолекул, но затем наступает фаза набухания, во время которой хондроциты напитываются жидкостью. В этот момент концентрация макромолекул падает и затем остаётся неизменной, хотя размер клетки продолжает увеличиваться (третья фаза).

Необычным тут оказалось то, что набухание клеток, насыщение их жидкостью — обычная черта растений, но не животных. Клетки животных, как правило, тщательно следят за балансом воды и растворённых в ней веществ, и содержание жидкости в них остаётся примерно одинаковым. И вот, как оказалось, набухание клеток есть и у животных, причём у грызунов этот период занимал 12 часов, в течение которого клетка стремительно увеличивалась в размерах. Это намного выгоднее и быстрее, чем синтезировать белки, жиры и углеводы и тем самым притягивать внутрь воду: достаточно просто «открыть шлюзы» и не тратить энергию на синтез макромолекул.

Третья же фаза, когда набухшая клетка растёт за счёт биосинтеза, по словам учёных, сильнее всего различается у разных видов животных и костей. «Растительная» фаза набухания лишь частично определяет различия в длине отдельных костей. Если же исследователи отключали инсулиноподобный фактор роста 1, важный сигнальный белок (от которого зависит в том числе развитие скелета и который влияет именно на третью фазу роста хондроцитов), то у мышей не только укорачивались ноги, у них ещё исчезали различия между клетками костей разных видов. То есть клетки большой берцовой кости, например, становились по размеру такими же, как клетки плюсневой кости.

Полвека учёные довольствовались информацией о том, что хондроциты непосредственно влияют на объём и размер костей, но про трёхфазный рост и необычную стадию набухания водой стало известно только сейчас. Правда, пока что всё равно не вполне понятно, почему, к примеру, у тушканчиков и кенгуру задние ноги огромные, а у крыс и коал они мало чем различаются по длине от передних конечностей. По-видимому, следующая забота учёных — это выяснение индивидуальных механизмов регуляции роста хондроцитов, от которых зависит длина конкретной кости у отдельно взятого организма.

Подготовлено по материалам Гарвардской медицинской школы.