Hamowanie kontaktu
W biologii komórki inhibicja kontaktowa odnosi się do dwóch różnych, ale ściśle powiązanych zjawisk: kontaktowego hamowania lokomocji ( CIL ) i kontaktowego hamowania proliferacji ( CIP ). CIL odnosi się do zachowania unikowego wykazywanego przez komórki podobne do fibroblastów w kontakcie ze sobą. W większości przypadków, gdy dwie komórki stykają się ze sobą, próbują zmienić swoją lokomocję w innym kierunku, aby uniknąć przyszłej kolizji. Kiedy kolizja jest nieunikniona, zachodzi inne zjawisko, w wyniku którego wzrost komórek samej hodowli ostatecznie zatrzymuje się w sposób zależny od gęstości komórek. Oba rodzaje inhibicji kontaktowej są dobrze znanymi właściwościami normalnych komórek i przyczyniają się do regulacji prawidłowego wzrostu, różnicowania i rozwoju tkanek. Warto zauważyć, że oba rodzaje regulacji są zwykle negowane i przezwyciężane podczas organogenezy podczas rozwoju embrionalnego oraz gojenia się tkanek i ran. Jednak kontaktowe hamowanie lokomocji i proliferacji są nienormalnie nieobecne w nowotworowych , a brak tej regulacji przyczynia się do powstawania nowotworów .
Mechanizm
Inhibicja kontaktowa to mechanizm regulacyjny, którego zadaniem jest utrzymywanie wzrostu komórek w warstwie o grubości jednej komórki (monowarstwa). Jeśli komórka ma dużo dostępnego miejsca na substrat, szybko się replikuje i porusza się swobodnie. Proces ten trwa, dopóki komórki nie zajmą całego podłoża. W tym momencie normalne komórki przestaną się replikować.
Gdy ruchome komórki stykają się w konfluentnych hodowlach, wykazują z czasem zmniejszoną ruchliwość i aktywność mitotyczną . Wykazano, że wzrost wykładniczy występuje między koloniami pozostającymi w kontakcie przez wiele dni, przy czym zahamowanie aktywności mitotycznej następuje znacznie później. To opóźnienie między kontaktem komórka-komórka a początkiem hamowania proliferacji jest skracane, gdy kultura staje się bardziej konfluentna. Można zatem rozsądnie wywnioskować, że kontakt komórka-komórka jest niezbędnym warunkiem kontaktowego hamowania proliferacji, ale sam w sobie jest niewystarczający do hamowania mitozy. Oprócz nawiązania kontaktu z innymi komórkami, komórki zahamowane w kontakcie muszą być również zmuszone do zmniejszenia powierzchni komórek pod wpływem naprężeń mechanicznych i ograniczeń narzuconych przez otaczające komórki. Rzeczywiście, zasugerowano, że napięcie mechaniczne działa jako sygnał hamujący mitozę. Ponadto należy zauważyć, że takie zahamowanie aktywności mitotycznej jest zjawiskiem lokalnym; występuje między kilkoma wybranymi komórkami w prawdopodobnie heterogenicznej kulturze.
Rola w raku
Nietransformowane komórki ludzkie wykazują normalne zachowanie komórkowe i pośredniczą w ich wzroście i proliferacji poprzez wzajemne oddziaływanie między środowiskowymi składnikami odżywczymi, sygnalizacją czynnika wzrostu i gęstością komórek. Gdy gęstość komórek wzrasta, a kultura staje się konfluentna, inicjują zatrzymanie cyklu komórkowego i zmniejszają proliferację oraz szlaki sygnałowe mitogenów, niezależnie od czynników zewnętrznych lub metabolizmu komórkowego. Właściwość ta jest znana jako kontaktowe hamowanie proliferacji i jest niezbędna do prawidłowego rozwoju embrionalnego, jak również do naprawy tkanek, różnicowania i morfogenezy. nowotworowe zwykle tracą tę właściwość iw ten sposób dzielą się i rosną nad sobą w niekontrolowany sposób, nawet w kontakcie z sąsiednimi komórkami. Powoduje to inwazję otaczających tkanek, ich przerzuty do pobliskich narządów, a ostatecznie powstawanie nowotworów. Komórki nagich kretoszczurów , gatunku, u którego nigdy nie zaobserwowano raka, wykazują nadwrażliwość na inhibicję kontaktową. To odkrycie może dostarczyć wskazówek na temat oporności na raka. Ponadto ostatnie badania ujawniły dalsze mechanizmy kontaktowego hamowania proliferacji i jego potencjalne implikacje w terapii raka.
Ponadto wykazano, że tworzenie adhezji komórka-komórka nie tylko ogranicza wzrost i proliferację poprzez nakładanie ograniczeń fizycznych, takich jak obszar komórki, ale także poprzez wyzwalanie szlaków sygnałowych, które zmniejszają proliferację. Jednym z takich szlaków jest szlak sygnałowy Hippo-YAP, który jest w dużej mierze odpowiedzialny za hamowanie wzrostu komórek u ssaków. Szlak ten składa się głównie z kaskady fosforylacji z udziałem kinaz serynowych, w której pośredniczą białka regulatorowe, które regulują wzrost komórek poprzez wiązanie się z genami kontrolującymi wzrost. Kinaza serynowo-treoninowa Hippo (Mst1/Mst2 kodowana odpowiednio przez geny STK4 i STK3 u ssaków) aktywuje drugorzędową kinazę (Lats1/Lats2), która fosforyluje YAP, transkrypcyjny aktywator genów wzrostu. Fosforylacja YAP służy do eksportu go z jądra i zapobiegania aktywacji genów sprzyjających wzrostowi; w ten sposób szlak Hippo-YAP hamuje wzrost komórek. Co ważniejsze, szlak Hippo-YAP wykorzystuje elementy upstream do działania w odpowiedzi na kontakt komórka-komórka i kontroluje zależne od gęstości hamowanie proliferacji. Na przykład kadheryny są białkami transbłonowymi, które tworzą połączenia komórkowe poprzez wiązanie homofilne, a zatem działają jako detektory kontaktu komórka-komórka. Aktywacja szlaku hamującego, w której pośredniczy kadheryna, obejmuje przezbłonową kadherynę E tworzącą wiązanie homofilne w celu aktywacji α- i β-kateniny, które następnie stymulują dalsze składniki szlaku Hippo-YAP, ostatecznie zmniejszając wzrost komórek. Jest to zgodne z odkryciem, że nadekspresja E-kadheryny utrudnia przerzuty i nowotworzenie. Ponieważ wykazano, że YAP jest związany z sygnalizacją mitogennego czynnika wzrostu, a tym samym z proliferacją komórek, prawdopodobne jest, że przyszłe badania skupią się na roli szlaku Hippo-YAP w komórkach nowotworowych.
Należy jednak zauważyć, że komórki hamowane kontaktem przechodzą zatrzymanie cyklu komórkowego, ale nie starzeją się. W rzeczywistości wykazano, że komórki hamowane kontaktem wznawiają normalną proliferację i sygnalizację mitogenu po ponownym umieszczeniu na płytkach w mniej konfluentnej hodowli. Zatem kontaktowe hamowanie proliferacji może być postrzegane jako odwracalna forma zatrzymania cyklu komórkowego. Ponadto, aby przejść od zatrzymania cyklu komórkowego do starzenia, komórki hamowane kontaktem muszą aktywować szlaki aktywujące wzrost, takie jak mTOR. Gdy komórki w hodowlach o dużej gęstości staną się wystarczająco konfluentne, tak że obszar komórek spadnie poniżej wartości krytycznej, formacje adhezyjne uruchamiają szlaki, które zmniejszają sygnalizację mitogenu i proliferację komórek. Szlak mTOR promujący wzrost jest zatem hamowany, aw konsekwencji komórki zahamowane kontaktowo nie mogą przejść od zatrzymania cyklu komórkowego do starzenia. Ma to kluczowe implikacje w terapii raka; chociaż komórki rakowe nie są hamowane przez kontakt, konfluentne hodowle komórek rakowych nadal tłumią ich maszynerię starzenia. Dlatego może to być wiarygodne wyjaśnienie, dlaczego leki przeciwnowotworowe indukujące starzenie są nieskuteczne.
Ruchliwość komórek
W większości przypadków, gdy dwie komórki zderzają się, próbują poruszać się w innym kierunku, aby uniknąć przyszłych kolizji; to zachowanie jest znane jako kontaktowe hamowanie lokomocji. Gdy dwie komórki stykają się, ich proces lokomotywy zostaje sparaliżowany. Osiąga się to poprzez wieloetapowy, wieloaspektowy mechanizm, który obejmuje tworzenie kompleksu adhezyjnego komórka-komórka po zderzeniu. Uważa się, że demontaż tego kompleksu jest w dużej mierze napędzany napięciem w komórkach i ostatecznie powoduje zmianę kierunków zderzających się komórek.
Najpierw ruchome komórki zderzają się i dotykają przez odpowiednie blaszki , których aktyna wykazuje wysoki przepływ wsteczny. Między blaszkami tworzy się adhezja komórkowa, zmniejszając szybkość wstecznego przepływu aktyny w obszarze bezpośrednio otaczającym adhezję. W konsekwencji zmniejsza się prędkość i ruchliwość komórek. To z kolei pozwala włóknom stresowym aktynowym i mikrotubulom na tworzenie się i ustawianie względem siebie u obu zderzających się partnerów. Wyrównanie tych włókien naprężeniowych lokalnie gromadzi sprężyste napięcie w blaszkach. W końcu narastanie napięcia staje się zbyt duże, a kompleks adhezji komórkowej dysocjuje, zapada się wypukłości blaszek i uwalnia komórki w różnych kierunkach, próbując złagodzić napięcie sprężyste. Możliwym alternatywnym zdarzeniem, które również prowadzi do dysocjacji zespołu, jest to, że po wyrównaniu włókien naprężeniowych, przednie krawędzie komórek repolaryzują się od sąsiednich blaszek. Wytwarza to znaczne napięcie sprężyste w całym ciele komórki, nie tylko w lokalnym miejscu kontaktu , a także powoduje rozpad kompleksu adhezyjnego. Uważa się, że napięcie sprężyste jest główną siłą napędową zapadania się wypukłości , złożonego demontażu i dyspersji komórek. Chociaż to hipotetyczne napięcie zostało scharakteryzowane i zwizualizowane, to, w jaki sposób napięcie buduje się w blaszkach i jak repolaryzacja komórek przyczynia się do narastania napięcia, pozostaje otwarte do zbadania.
Ponadto, gdy replikacja zwiększa liczbę komórek, zmniejsza się liczba kierunków, w których komórki te mogą się poruszać bez dotykania innych. Komórki będą również próbowały oddalić się od innej komórki, ponieważ lepiej przylegają do otaczającego je obszaru, struktury zwanej podłożem, niż do innych komórek. Kiedy dwie zderzające się komórki są różnymi typami komórek, jedna lub obie mogą zareagować na kolizję.
Niektóre unieśmiertelnione linie komórkowe , pomimo zdolności do proliferacji w nieskończoność, nadal doświadczają hamowania kontaktowego, chociaż generalnie w mniejszym stopniu niż normalne linie komórkowe.