Rozpoznawanie komórka-komórka
Rozpoznawanie komórka-komórka to zdolność komórki do odróżnienia jednego typu sąsiedniej komórki od innego. Zjawisko to występuje, gdy spotykają się komplementarne cząsteczki na przeciwległych powierzchniach komórek. Receptor na jednej powierzchni komórki wiąże się ze swoim specyficznym ligandem na pobliskiej komórce, inicjując kaskadę zdarzeń, które regulują zachowania komórek, od prostej adhezji do złożonego różnicowania komórkowego. Podobnie jak inne funkcje komórkowe, na rozpoznawanie komórka-komórka mają wpływ szkodliwe mutacje w zaangażowanych genach i białkach i jest to obarczone błędem. Zdarzenia biologiczne, które rozwijają się w wyniku rozpoznawania komórek, są ważne dla rozwoju zwierząt, mikrobiomów i medycyny człowieka.
Podstawy
Rozpoznawanie komórka-komórka zachodzi, gdy dwie cząsteczki ograniczone do błon plazmatycznych różnych komórek wiążą się ze sobą, wywołując reakcję komunikacji, współpracy, transportu, obrony i / lub wzrostu. Zamiast indukować dystalną odpowiedź, jak mogą to robić wydzielane hormony, ten rodzaj wiązania wymaga, aby komórki z cząsteczkami sygnałowymi znajdowały się blisko siebie. Zdarzenia te można podzielić na dwie główne kategorie: rozpoznanie wewnętrzne i rozpoznanie zewnętrzne . Rozpoznawanie wewnętrzne ma miejsce, gdy komórki, które są częścią tego samego organizmu, łączą się. Rozpoznawanie zewnętrzne ma miejsce, gdy komórka jednego organizmu rozpoznaje komórkę innego organizmu, na przykład gdy komórka ssaka wykrywa mikroorganizm w ciele. Cząsteczki, które uzupełniają to wiązanie, składają się z białek, węglowodanów i lipidów, w wyniku czego powstają różne glikoproteiny , lipoproteiny i glikolipoproteiny. Badania sugerują, że interakcje glikan-glikan, obserwowane na poziomie około 200-300 pN, również mogą odgrywać rolę w rozpoznawaniu komórka-komórka. Zbadano, że w szczególności węglowodany złożone są niezwykle integralne w rozpoznawaniu między komórkami, zwłaszcza gdy są rozpoznawane przez węglowodany uzupełniające. W celu zapewnienia właściwego miejsca wiązania poprzez sprawdzenie otaczających obszarów lub zabezpieczenie utworzonego wcześniej wiązania, węglowodany złożone i węglowodany do nich uzupełniające są zdolne do tworzenia elastycznych układów interakcji. Te interakcje, chociaż zaobserwowano, że są słabe, badano na różnych osobnikach testowych, w tym między innymi na mysich komórkach embrionalnych, komórkach nabłonka rogówki i ludzkich komórkach raka zarodkowego.
Funkcje biologiczne dla wewnętrznego rozpoznania
Wzrost i rozwój
Jedną z bardziej podstawowych wersji rozpoznawania adhezji między komórkami można zaobserwować u gąbek , najbardziej prymitywnej grupy w królestwie zwierząt. Gąbki rozwijają się poprzez agregację pojedynczych komórek w większe skupiska. Dzięki białkom wiążącym błonę i wydzielanym jonom poszczególne komórki gąbczaste są w stanie koordynować agregację, jednocześnie zapobiegając fuzji między różnymi gatunkami, a nawet różnymi osobnikami. Zostało to odkryte, gdy próby przeszczepienia komórek gąbczastych od różnych gatunków lub osobników tego samego gatunku nie powiodły się, podczas gdy próby wykorzystania komórek tego samego osobnika połączyły się pomyślnie. Jest to prawdopodobnie spowodowane różnymi kadherynami , białkiem błonowym wiążącym wapń, wyrażanym przez różne gatunki i osobniki gąbek. Kadheryny są również obecne w bardziej złożonych organizmach. W embrionach myszy E-kadheryna na błonach komórkowych odpowiada za adhezję komórek potrzebnych do zagęszczenia zarodka.
Rozpoznawanie komórek w odpowiedzi na uraz
Kiedy duży organizm wielokomórkowy doznaje urazu, rozpoznawanie komórek jest często zaangażowane w przenoszenie pewnych typów komórek do miejsca urazu. Typowym tego przykładem są komórki eksprymujące selektynę u zwierząt. Selektyna jest białkiem receptorowym znajdującym się na błonach leukocytów, płytek krwi i komórek śródbłonka, które wiąże glikany związane z błoną. W odpowiedzi na uszkodzenie komórki śródbłonka będą eksprymować selektynę, która wiąże się z glikanami obecnymi na powierzchni komórek leukocytów. Komórki płytek krwi, które biorą udział w naprawie tkanek, wykorzystują swoje selektyny do łączenia się z leukocytami w drodze do komórek śródbłonka. Następnie leukocyty wykorzystują własne selektyny do rozpoznawania potencjalnych patogenów w miejscu urazu. W ten sposób odpowiednie komórki są dostarczane do miejsca urazu, aby zająć się natychmiastową naprawą lub inwazją mikroorganizmów.
Funkcje biologiczne dla rozpoznania zewnętrznego
Rozpoznawanie patogenów w układzie odpornościowym
Komórki ze zdolnościami rozpoznawania układu odpornościowego obejmują makrofagi, komórki dendrytyczne, komórki T i komórki B. Rozpoznawanie między komórkami jest szczególnie ważne we wrodzonym układzie odpornościowym, który bardzo ogólnie identyfikuje patogeny. Centralnym elementem tego procesu jest wiązanie receptorów rozpoznawania wzorców (PRR) fagocytów i wzorców molekularnych związanych z patogenami (PAMP) w mikroorganizmach chorobotwórczych. Jednym z typów PRR jest grupa integralnych glikoprotein błonowych zwanych receptorami toll-like (TLR), które mogą rozpoznawać pewne lipoproteiny, peptydoglikan, DNA bogate w CpG i składniki wici w komórkach bakteryjnych, a także glikoproteiny i fosfolipidy pierwotniaków i pasożytów. konidia (zarodniki grzybów). Wiązanie PAMP z białkami TLR generalnie skutkuje wewnętrzną kaskadą sygnalizacyjną obejmującą szereg fosforylacji, dodanie grupy fosforanowej i ubikwitynację, dodanie małego białka, które oznacza cząsteczki do degradacji, co ostatecznie prowadzi do transkrypcji genów związane ze stanem zapalnym. Wykorzystanie TLR przez komórki we wrodzonym układzie odpornościowym doprowadziło do ewolucyjnej bitwy między komórkami patogennymi, które wytwarzają różne PAMP, których nie można rozpoznać, a komórkami odpornościowymi, które rozwijają nowe białka błonowe, które mogą je rozpoznawać.
Ekologia bakterii
Organizmy jednokomórkowe mogą wiązać się ze sobą poprzez receptory powierzchniowe w celu współpracy i rywalizacji. Zostało to powszechnie zaobserwowane u bakterii. Na przykład bakterie mogą łączyć się ze sobą poprzez wiązanie białek błony zewnętrznej TraA i TraB, aby ułatwić proces zwany wymianą błony zewnętrznej (OME), który umożliwia komórkom bakteryjnym wymianę lipidów błony, cukrów i toksyn. Rozpoznanie komórek i OME można osiągnąć tylko wtedy, gdy zwiążą się warianty TraA i TraB z tej samej grupy rozpoznawania. Te interakcje mogą generować fizjologiczną różnorodność wymaganą do oporności na antybiotyki w populacjach bakterii. Białko Escherichia coli ChiA bierze udział w procesie hamowania zależnego od kontaktu (CDI), w którym wiąże się z receptorami konkurencyjnych szczepów E. coli i uwalnia toksynę, która zapobiega wzrostowi tych szczepów, podczas gdy komórka hamująca i członkowie tego szczepu są chronione. Bakteria Proteus mirabilis wykorzystuje białko T6SS do inicjowania roju i niszczenia innych kolonii bakteryjnych po rozpoznaniu, albo przez uwolnienie toksyn, albo przez uwolnienie białek sygnałowych do innych komórek P. mirabilis . Wiązanie bakteryjnych receptorów powierzchniowych do adhezji jest również zaangażowane w tworzenie biofilmów.
Rozpoznawanie krwinek czerwonych
Grupy krwi
Czerwone krwinki zawierają antygeny w swoich błonach plazmatycznych, które odróżniają je jako część określonej kategorii komórek krwi. Tymi antygenami mogą być polisacharydy, glikoproteiny lub białka połączone z GPI (glikolipid). Antygeny mają różną złożoność, od małych cząsteczek związanych z zewnątrzkomórkową stroną dwuwarstwy fosfolipidowej do dużych białek błonowych, które wielokrotnie zapętlają się między obiema stronami błony. Mniejsze antygeny polisacharydowe klasyfikują krwinki na typy A, B, AB i O, podczas gdy większe antygeny białkowe klasyfikują krwinki na typy Rh D-dodatnie i Rh D-ujemne. Chociaż biologiczna rola prawidłowej grupy krwi jest niejasna i może być szczątkowa, wiadomo, że konsekwencje nieprawidłowej grupy krwi są poważne. Te same komórki, które rozpoznają PAMP na patogenach drobnoustrojowych, mogą wiązać się z antygenem obcej krwinki i rozpoznawać ją jako patogen, ponieważ antygen jest nieznany. Nie jest łatwo sklasyfikować rozpoznawanie czerwonych krwinek jako wewnętrzne lub zewnętrzne, ponieważ obca komórka może zostać rozpoznana jako część organizmu, jeśli ma odpowiednie antygeny.
Szkodliwe mutacje
mutacje TLR
Mutacje białek receptorowych ssaków mogą powodować zaburzenia w rozpoznawaniu komórek, zwiększając indywidualną podatność na niektóre patogeny i choroby przewlekłe. Kiedy mutacje występują w genach kodujących TLR, białka mogą utracić zdolność wiązania się z polisacharydami, lipidami lub białkami na ścianie komórkowej lub błonie komórkowej patogenów jednokomórkowych, co skutkuje brakiem odpowiedzi wrodzonego układu odpornościowego na infekcję co pozwala na szybki rozwój choroby. W szczególności, mutacje w genach dla TLR2 i TLR4 są często związane ze zwiększoną podatnością na patogeny. Mutacja treoniny do cysteiny w genie TRL2 została powiązana z nierozpoznaniem Mycobacterium tuberculosis jako czynnika sprawczego gruźliczego zapalenia opon mózgowych. Ta sama mutacja, T597C, została później zaobserwowana zgodnie z brakiem rozpoznania Mycobacterium leprae , czynnika sprawczego trądu. Mutacja argininy na glutaminę w TRL2, Arg753Gln, była powiązana ze zwiększonymi infekcjami dróg moczowych u dzieci wywołanymi przez bakterie Gram-dodatnie. Wiele mutacji w TLR4, Asp299Gly i Thr399Ile było zaangażowanych w podatność na patogeny bakteryjne powodujące zapalenie przyzębia. Zbadano również związek mutacji TLR z chorobą chroniczną, ale nie uzyskano rozstrzygających dowodów. Wspólną cechą tych mutacji zmiany sensu jest to, że reszty aminokwasowe, które są podstawione, mają wyraźnie różne właściwości łańcucha bocznego, co prawdopodobnie przyczynia się do wadliwej funkcji białka TLR.
Linki zewnętrzne
- Film na YouTube: Rozpoznawanie patogenu w komórce makrofaga zarchiwizowane 06.05.2020 w Wayback Machine