Migracja komórek

Migracja komórek jest centralnym procesem rozwoju i utrzymania organizmów wielokomórkowych . Tworzenie tkanek podczas rozwoju embrionalnego , gojenie się ran i odpowiedzi immunologiczne wymagają zorganizowanego przemieszczania się komórek w określonych kierunkach do określonych miejsc. Komórki często migrują w odpowiedzi na określone sygnały zewnętrzne, w tym sygnały chemiczne i sygnały mechaniczne . Błędy podczas tego procesu mają poważne konsekwencje, w tym niepełnosprawność intelektualną , choroby naczyniowe , powstawanie nowotworów i przerzuty . Zrozumienie mechanizmu migracji komórek może prowadzić do opracowania nowych strategii terapeutycznych do kontrolowania, na przykład, inwazyjnych komórek nowotworowych.

Ze względu na bardzo lepkie środowisko (niska liczba Reynoldsa ) komórki muszą stale wytwarzać siły, aby się poruszać. Komórki osiągają aktywny ruch za pomocą bardzo różnych mechanizmów. Wiele mniej złożonych organizmów prokariotycznych (i plemników) używa wici lub rzęsek do poruszania się. Migracja komórek eukariotycznych jest zwykle znacznie bardziej złożona i może składać się z kombinacji różnych mechanizmów migracji. Na ogół wiąże się to z drastycznymi zmianami kształtu komórki, które są napędzane przez cytoszkielet . Dwa bardzo różne scenariusze migracji to ruch pełzający (najczęściej badany) i pęcherzykowy . Paradygmatycznym przykładem ruchu pełzającego jest przypadek keratocytów naskórka ryb, które są szeroko wykorzystywane w badaniach i nauczaniu.

Badania migracji komórek

Migracja hodowanych komórek przyczepionych do powierzchni lub w 3D jest powszechnie badana za pomocą mikroskopii . Ponieważ ruch komórek jest bardzo powolny, rejestruje się filmy z mikroskopii poklatkowej z szybkością kilku µm/minutę migrujących komórek, aby przyspieszyć ruch. Takie filmy (ryc. 1) pokazują, że wiodący front komórki jest bardzo aktywny, z charakterystycznym zachowaniem kolejnych skurczów i ekspansji. Ogólnie przyjmuje się, że czoło wiodące jest głównym motorem, który ciągnie komórkę do przodu.

Wspólne cechy

Uważa się, że procesy leżące u podstaw migracji komórek ssaków są zgodne z procesami lokomocji (nie plemnikowymi ) . Wspólne obserwacje obejmują:

  • przemieszczenie cytoplazmatyczne na krawędzi natarcia (przód)
  • laminarne usuwanie zanieczyszczeń nagromadzonych na grzbiecie w kierunku krawędzi spływu (tył)

Ta ostatnia cecha jest najłatwiejsza do zaobserwowania, gdy agregaty cząsteczki powierzchniowej są usieciowane z przeciwciałem fluorescencyjnym lub gdy małe kulki zostają sztucznie związane z przodem komórki.

Zaobserwowano, że inne komórki eukariotyczne migrują podobnie. Ameba Dictyostelium discoideum jest przydatna dla badaczy, ponieważ stale wykazuje chemotaksję w odpowiedzi na cykliczny AMP ; poruszają się szybciej niż hodowane komórki ssaków; i mają haploidalny genom, który upraszcza proces łączenia określonego produktu genu z jego wpływem na zachowanie komórkowe.

Dwa różne modele poruszania się komórek. A) Model cytoszkieletu. B) Model przepływu membranowego
(A) Dynamiczne mikrotubule są niezbędne do cofania ogona i są rozmieszczone na tylnym końcu migrującej komórki. Zielone, wysoce dynamiczne mikrotubule; żółte, średnio dynamiczne mikrotubule i czerwone, stabilne mikrotubule. (B) Stabilne mikrotubule działają jak rozpórki i zapobiegają cofaniu się ogona, a tym samym hamują migrację komórek.

Molekularne procesy migracji

Istnieją dwie główne teorie wyjaśniające, w jaki sposób komórka przesuwa swoją przednią krawędź: model cytoszkieletu i model przepływu przez błonę. Możliwe, że oba podstawowe procesy przyczyniają się do wydłużania komórek.

Model cytoszkieletu (A)

Wiodąca krawędź

Eksperymenty wykazały, że na przedniej krawędzi komórki zachodzi szybka polimeryzacja aktyny . Ta obserwacja doprowadziła do hipotezy, że tworzenie włókien aktynowych „popycha” przednią krawędź komórki do przodu i jest główną siłą ruchową przesuwającą przednią krawędź komórki. Ponadto elementy cytoszkieletu mogą wchodzić w rozległe i bliskie interakcje z błoną plazmatyczną komórki.

Krawędź spływu

Inne składniki cytoszkieletu (takie jak mikrotubule) pełnią ważne funkcje w migracji komórek. Stwierdzono, że mikrotubule działają jak „rozpórki”, które przeciwdziałają siłom skurczu, które są potrzebne do cofania krawędzi spływu podczas ruchu komórki. Kiedy mikrotubule w tylnej krawędzi komórki są dynamiczne, są w stanie przebudować, aby umożliwić retrakcję. Kiedy dynamika jest stłumiona, mikrotubule nie mogą się przebudować, a zatem przeciwstawiają się siłom skurczu. Morfologia komórek z tłumioną dynamiką mikrotubul wskazuje, że komórki mogą wydłużać przednią krawędź (spolaryzowaną w kierunku ruchu), ale mają trudności z cofnięciem krawędzi spływu. Z drugiej strony wysokie stężenia leku lub mutacje mikrotubul, które powodują depolimeryzację mikrotubul, mogą przywrócić migrację komórek, ale następuje utrata kierunkowości. Można stwierdzić, że mikrotubule działają zarówno powstrzymując ruch komórek, jak i ustalając kierunkowość.

Model przepływu membranowego (B)

Przednia krawędź z przodu migrującej komórki jest również miejscem, w którym błona z puli błony wewnętrznej powraca na powierzchnię komórki pod koniec cyklu endocytarnego . Sugeruje to, że przedłużenie krawędzi natarcia następuje głównie przez dodanie membrany z przodu komórki. Jeśli tak, powstające tam włókna aktynowe mogą stabilizować dodaną błonę, tak że tworzy się ustrukturyzowane przedłużenie lub blaszka - zamiast struktury bąbelkowej (lub pęcherzyka) z przodu. Aby komórka mogła się poruszać, konieczne jest doprowadzenie świeżego zapasu „stopek” (białek zwanych integrynami , które przyczepiają komórkę do powierzchni, po której się pełza) do przodu. Jest prawdopodobne, że te stopy są endocytowane w kierunku tylnej części komórki i przenoszone na przód komórki w wyniku egzocytozy, aby można je było ponownie wykorzystać do utworzenia nowych przyczepów do podłoża.

W przypadku Dictyostelium amebae trzy mutanty warunkowo wrażliwe na temperaturę , które wpływają na recykling błony, blokują migrację komórek w restrykcyjnej (wyższej) temperaturze; zapewniają dodatkowe wsparcie dla znaczenia cyklu endocytarnego w migracji komórek. Co więcej, te ameby poruszają się dość szybko — około jednej długości komórki w ~ 5 minut. Jeśli są uważane za cylindryczne (co jest z grubsza prawdziwe podczas chemotaksji), wymagałoby to od nich recyklingu równowartości jednej powierzchni komórki co 5 minut, co w przybliżeniu jest mierzone.

Przepływ błony do tyłu (czerwone strzałki) i przemieszczanie się pęcherzyków od tyłu do przodu (niebieskie strzałki) napędzają migrację niezależną od adhezji.

Mechanistyczne podstawy migracji ameboidów

Pełzanie adhezyjne nie jest jedynym trybem migracji wykazywanym przez komórki eukariotyczne. Co ważne, stwierdzono, że kilka typów komórek — Dictyostelium amebae, neutrofile , przerzutowe komórki nowotworowe i makrofagi — jest zdolnych do migracji niezależnej od adhezji. Historycznie rzecz biorąc, fizyk EM Purcell wysunął teorię (w 1977 r.), Że w warunkach dynamiki płynów o niskiej liczbie Reynoldsa , które mają zastosowanie w skali komórkowej, tylny przepływ powierzchniowy może zapewnić mechanizm płynięcia mikroskopijnych obiektów do przodu. Po kilku dziesięcioleciach eksperymentalne wsparcie dla tego modelu ruchu komórek zostało zapewnione, gdy odkryto (w 2010 r.), Że zarówno komórki ameboidalne, jak i neutrofile są zdolne do chemotaksji w kierunku źródła chemoatraktantu, gdy są zawieszone w pożywce izodensyjnej. Następnie wykazano, stosując optogenetykę , że komórki migrujące w sposób ameboidalny bez zrostów wykazują przepływ błony plazmatycznej w kierunku tyłu komórki, który może napędzać komórki poprzez wywieranie sił stycznych na otaczający płyn. Spolaryzowane przemieszczanie się pęcherzyków zawierających błonę z tyłu do przodu komórki pomaga utrzymać rozmiar komórki. Dictyostelium discoideum obserwowano również przepływ błony do tyłu . Obserwacje te dostarczają silnego wsparcia dla modeli ruchu komórek, które zależą od przepływu błonowego tylnej powierzchni komórki (Model B, powyżej). Co ciekawe, stwierdzono również, że migracja klastrów nadkomórkowych jest wspierana przez podobny mechanizm tylnego przepływu powierzchniowego.

Schematyczne przedstawienie zbiorowego biomechanicznego i molekularnego mechanizmu ruchu komórek

Zbiorowy biomechaniczny i molekularny mechanizm ruchu komórki

Opierając się na niektórych modelach matematycznych, ostatnie badania stawiają hipotezę nowego modelu biologicznego zbiorowego biomechanicznego i molekularnego mechanizmu ruchu komórek. Proponuje się, aby mikrodomeny tkały teksturę cytoszkieletu, a ich interakcje wyznaczały miejsce powstawania nowych miejsc adhezji. Zgodnie z tym modelem dynamika sygnalizacji mikrodomeny organizuje cytoszkielet i jego interakcję z podłożem. Ponieważ mikrodomeny wyzwalają i utrzymują aktywną polimeryzację włókien aktynowych, ich propagacja i ruch zygzakowaty na błonie generują wysoce połączoną sieć zakrzywionych lub liniowych włókien zorientowanych pod szerokim spektrum kątów do granicy komórki. Proponuje się również, że interakcja mikrodomeny oznacza tworzenie nowych ogniskowych miejsc adhezji na obrzeżach komórki. Interakcja miozyny z siecią aktyny generuje następnie retrakcję / marszczenie błony, przepływ wsteczny i siły skurczu dla ruchu do przodu. Wreszcie, ciągłe wywieranie naprężeń na stare ogniskowe miejsca zrostów może spowodować indukowaną wapniem aktywację kalpainy, aw konsekwencji oderwanie ogniskowych zrostów, co kończy cykl.

Biegunowość w migrujących komórkach

Migrujące komórki mają polaryzację — przód i tył. Bez tego poruszałyby się we wszystkich kierunkach na raz, czyli rozprzestrzeniały się. Nie wiadomo, w jaki sposób ta polaryzacja jest formułowana na poziomie molekularnym wewnątrz komórki. W komórce, która wije się w przypadkowy sposób, przód może łatwo ustąpić i stać się pasywnym, ponieważ jakiś inny region lub regiony komórki tworzą nowy front. W komórkach chemotakujących stabilność frontu wydaje się być zwiększona, gdy komórka przesuwa się w kierunku wyższego stężenia stymulującej substancji chemicznej. Z perspektywy biofizycznej polaryzację wyjaśniono w kategoriach gradientu ładunku powierzchniowego błony wewnętrznej między obszarami przednimi a tylnymi krawędziami komórki. Ta polaryzacja jest odzwierciedlona na poziomie molekularnym przez ograniczenie pewnych cząsteczek do określonych obszarów wewnętrznej powierzchni komórki . Tak więc fosfolipid PIP3 i aktywowany Rac i CDC42 znajdują się z przodu komórki, podczas gdy GTPaza Rho i PTEN znajdują się z tyłu.

Uważa się, że nitkowate aktyny i mikrotubule są ważne dla ustanowienia i utrzymania polaryzacji komórki. Leki niszczące włókna aktynowe mają wielorakie i złożone działanie, odzwierciedlające szeroką rolę, jaką te włókna odgrywają w wielu procesach komórkowych. Możliwe, że w ramach procesu lokomotorycznego pęcherzyki błonowe są transportowane wzdłuż tych włókien do przodu komórki. W komórkach chemotakujących zwiększona trwałość migracji w kierunku celu może wynikać ze zwiększonej stabilności ułożenia struktur nitkowatych wewnątrz komórki i determinować jej polaryzację. Z kolei te nitkowate struktury mogą być rozmieszczone wewnątrz komórki zgodnie z tym, jak cząsteczki takie jak PIP3 i PTEN są rozmieszczone na wewnętrznej błonie komórkowej. A to, gdzie się one znajdują, wydaje się z kolei określane przez sygnały chemoatraktantów, gdy uderzają one w określone receptory na zewnętrznej powierzchni komórki.

Chociaż od wielu lat wiadomo, że mikrotubule wpływają na migrację komórek, mechanizm, za pomocą którego to robią, pozostaje kontrowersyjny. Na płaskiej powierzchni mikrotubule nie są potrzebne do ruchu, ale są wymagane do zapewnienia kierunkowości ruchu komórek i wydajnego wystawania krawędzi natarcia. Jeśli są obecne, mikrotubule opóźniają ruch komórek, gdy ich dynamika jest tłumiona przez leczenie farmakologiczne lub mutacje tubuliny.

Problemy odwrotne w kontekście ruchliwości komórek

Powstał obszar badań zwany problemami odwrotnymi w ruchliwości komórek. Podejście to opiera się na założeniu, że zmiany zachowania lub kształtu komórki niosą informację o mechanizmach leżących u podstaw tych zmian. Odczytywanie ruchu komórek, a mianowicie zrozumienie leżących u jego podstaw procesów biofizycznych i mechanochemicznych, ma ogromne znaczenie. Modele matematyczne opracowane w tych pracach określają niektóre cechy fizyczne i właściwości materiałowe komórek lokalnie poprzez analizę sekwencji obrazów żywych komórek i wykorzystują te informacje do wyciągania dalszych wniosków na temat struktur molekularnych, dynamiki i procesów zachodzących w komórkach, takich jak aktyna sieć, mikrodomeny, chemotaksja, adhezja i przepływ wsteczny.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cell_migration&oldid=1136402919 ”