stringtranslate.com

Амебоидное движение

Два распространенных способа амебоидной подвижности

Амебоидное движение является наиболее типичным способом передвижения в адгезивных эукариотических клетках . [1] Это тип движения, похожий на ползание, осуществляемый путем выпячивания цитоплазмы клетки, включающего образование псевдоподий («ложноножек») и задних уропод . В зависимости от организма может образовываться одна или несколько псевдоподий одновременно, но все амебоидные движения характеризуются движением организмов с аморфной формой, которые не обладают установленными структурами подвижности. [2]

Движение происходит, когда цитоплазма скользит и образует псевдоподию спереди, чтобы тянуть клетку вперед. Некоторые примеры организмов, которые демонстрируют этот тип передвижения, — амебы (такие как Amoeba proteus и Naegleria gruberi , [2] ) и слизевики , а также некоторые клетки человека, такие как лейкоциты . Саркомы , или раковые опухоли, возникающие из клеток соединительной ткани, особенно склонны к амебоидному движению, что приводит к их высокой скорости метастазирования .

Этот тип движения связан с изменениями в потенциале действия . Хотя было предложено несколько гипотез для объяснения механизма амебоидного движения, его точные механизмы еще не до конца изучены. [3] [4] Сборка и разборка актиновых филаментов в клетках может быть важна для биохимических и биофизических механизмов, которые способствуют различным типам клеточных движений как в поперечно-полосатых мышечных структурах, так и в немышечных клетках. [5] [6] Полярность дает клеткам отчетливые передние и задние края посредством избирательного смещения белков к полюсам и может играть важную роль в эукариотическом хемотаксисе . [7] [8]

Типы амебоидного движения

Схема трех основных видов движения амебоидных клеток

Ползание

Ползание — одна из форм амебоидного движения, которая начинается, когда расширение движущейся клетки ( псевдопод ) прочно прикрепляется к поверхности. [9] [10] Основная масса клетки тянет себя к связанному участку. Повторяя этот процесс, клетка может двигаться до тех пор, пока первый связанный участок не окажется в самом конце клетки, после чего она отсоединяется. [9] [10] Скорость, с которой ползают клетки, может сильно различаться, но в целом ползание быстрее, чем плавание, но медленнее, чем скольжение по гладкой поверхности. [9] Однако ползание не становится заметно медленнее на неровных и неровных поверхностях, в то время как скольжение становится намного медленнее в таких условиях. [9] Кажется, что ползание может быть либо управляемым пузырьками , либо управляемым актином (см. разделы ниже), в зависимости от характера поверхности. [10]

Скольжение

Скольжение похоже на ползание, но характеризуется гораздо меньшим сцеплением с поверхностью, что делает его более быстрым на более гладких поверхностях, которые требуют меньшего сцепления, но более медленным на более сложных и сложных поверхностях. [9] Некоторые клетки скользят по тому же механизму, что и ползание, но с более крупными псевдоподиями и меньшим поверхностным сцеплением. [9] Другие клетки используют другой метод скольжения: небольшой участок клетки, уже касающийся поверхности, связывается с поверхностью, после чего цитоскелет толкает или тянет закрепленный участок, чтобы скользить клетку вперед. [11] Это отличается от вышеупомянутого механизма тем, что клетка не вытягивает псевдоподию, поэтому по мере продвижения происходит относительно небольшая деформация клетки. [11]

Плавание

Многие различные прокариотические и эукариотические клетки могут плавать, и многие из них имеют либо жгутики , либо реснички для этой цели. Однако эти специализированные структуры не являются необходимыми для плавания, поскольку существуют амебы и другие эукариотические клетки, у которых нет жгутиков и ресничек, но они все равно могут плавать, хотя это происходит медленнее, чем ползание или скольжение. [9] [10] [12] Существует два различных предложенных механизма амебоидного плавания. В первом случае клетка вытягивает небольшие псевдоподии, которые затем движутся вниз по бокам клетки, действуя как весла. [9] [10] [12] Во втором случае клетка генерирует внутренний цикл потока, при котором цитоплазма течет назад вдоль края мембраны и вперед через середину, создавая силу на мембране , которая двигает клетку вперед. [10] [12]

Молекулярный механизм движения клеток

Теория золь-гель

Протоплазма амебы состоит из внешнего слоя, называемого эктоплазмой , который окружает внутреннюю часть, называемую эндоплазмой . Эктоплазма состоит из студенистого полутвердого вещества, называемого плазменным гелем, тогда как эндоплазма состоит из менее вязкой жидкости, называемой плазменным золем. Эктоплазма обязана своим высоковязким состоянием, отчасти, сшивающему актомиозиновому комплексу. Считается, что движение амебы происходит из-за преобразования золя в гель протоплазмы внутри ее клетки. «Преобразование золя в гель описывает события сокращения и расслабления, которые усиливаются осмотическим давлением и другими ионными зарядами». [13]

Например, когда амеба движется, она расширяет студенистый цитозольный псевдоподий, что затем приводит к тому, что более жидкий цитозоль (плазменный золь) течет после студенистой части (плазменного геля), где он застывает на конце псевдоподия. Это приводит к расширению этого придатка. На противоположном (заднем) конце клетки плазменный гель затем преобразуется в плазменный золь и течет к продвигающемуся псевдоподию. Пока у клетки есть способ схватить субстрат , повторение этого процесса направляет клетку вперед. Внутри амебы есть белки, которые могут быть активированы для преобразования геля в более жидкое состояние золя.

Цитоплазма в основном состоит из актина, а актин регулируется актин-связывающим белком . Актин-связывающие белки в свою очередь регулируются ионами кальция; следовательно, ионы кальция очень важны в процессе преобразования золя в гель. [1] [13]

Амебоидные модальности движения

Подвижность, обусловленная актином

Основываясь на некоторых математических моделях, недавние исследования выдвигают гипотезу о новой биологической модели для коллективных биомеханических и молекулярных механизмов клеточного движения. [14] Предполагается, что микродомены ткут текстуру цитоскелета , а их взаимодействия отмечают место для формирования новых участков адгезии. Согласно этой модели, динамика сигнализации микродоменов организует цитоскелет и его взаимодействие с субстратом. Поскольку микродомены запускают и поддерживают активную полимеризацию актиновых филаментов, их распространение и зигзагообразное движение на мембране создают высокосвязанную сеть изогнутых или линейных филаментов, ориентированных под широким спектром углов к границе клетки. Также было предложено, что взаимодействие микродоменов отмечает формирование новых очаговых участков адгезии на периферии клетки. Взаимодействие миозина с актиновой сетью затем генерирует ретракцию/складывание мембраны, ретроградный поток и сократительные силы для движения вперед. Наконец, постоянное приложение нагрузки к старым очаговым участкам адгезии может привести к кальций-индуцированной активации кальпаина и, как следствие, к отслоению очаговых спаек, что завершает цикл.

В дополнение к полимеризации актина, микротрубочки также могут играть важную роль в миграции клеток, где задействовано образование ламеллиподий . Один эксперимент показал, что хотя микротрубочки не требуются для полимеризации актина для создания ламеллиподийных расширений, они необходимы для того, чтобы обеспечить клеточное движение. [15]

Подвижность, обусловленная пузырьками

Другой такой предложенный механизм, механизм «амебоидной локомоции, управляемой пузырьками», предполагает, что актомиозин коры клетки сокращается, чтобы увеличить гидростатическое давление внутри клетки. Пузырьки возникают в амебоидных клетках, когда в клеточной мембране имеется приблизительно сферический выступ, характеризующийся отсоединением от актомиозиновой коры. Этот режим амебоидного движения требует, чтобы миозин II играл роль в создании гидростатического давления, которое заставляет пузырь расширяться. [16]  Это отличается от локомоции, управляемой актином, где выступ создается полимеризацией актина, оставаясь прикрепленным к актомиозиновой коре и физически толкая барьер клетки. Во время амебоидного движения, управляемого пузырьками, регулируется состояние цитоплазматического золя-геля. [1]

Пузыристый рост также может быть признаком того, что клетка подвергается апоптозу . [17]

Также было замечено, что пузырьки, образованные подвижными клетками, проходят примерно однородный жизненный цикл, который длится около одной минуты. Он включает фазу, включающую первоначальное внешнее расширение, когда мембрана отрывается от мембранного цитоскелета. Затем следует короткая статическая фаза, когда гидростатическое давление, которое накопилось, как раз достаточно для поддержания размера пузырька. За этим следует последняя фаза, характеризующаяся медленным сокращением пузырька и повторным введением мембраны в инфраструктуру цитоскелета. [18]

Клетки могут проходить быстрые переходы между блеббингом и ламеллиподиальной подвижностью в качестве способа миграции. Однако скорость, с которой осуществляются эти переходы, до сих пор неизвестна. Опухолевые клетки также могут демонстрировать быстрые переходы между амебоидной подвижностью и мезенхимальной подвижностью, другой формой клеточного движения. [19]

Связанные механизмы движения

Клетки диктиостелиума и нейтрофилы также могут плавать, используя механизм, аналогичный ползанию. [9] [20]

Другая одноклеточная форма движения, показанная в Euglena, известна как метаболия . Основой теории золь-гель является взаимопревращение золя и геля.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Nishigami Y, Ichikawa M, Kazama T, Kobayashi R, Shimmen T, Yoshikawa K, Sonobe S (5 августа 2013 г.). "Реконструкция активного регулярного движения в экстракте амебы: динамическое взаимодействие между состояниями золя и геля". PLOS ONE . ​​8 (8): e70317. Bibcode :2013PLoSO...870317N. doi : 10.1371/journal.pone.0070317 . PMC  3734023 . PMID  23940560.
  2. ^ ab Preston TM, Cooper LG, King CA (июль–авг. 1990 г.). «Амебовидная локомоция Naegleria gruberi: влияние цитохалазина B на взаимодействие клеток с субстратом и подвижное поведение». Журнал протозоологии . 37 (4): 6S–11S. doi :10.1111/j.1550-7408.1990.tb01139.x. PMID  2258833.
  3. ^ Allen RD, Allen NS (1978). «Цитоплазматическое течение при амебоидном движении». Annual Review of Biophysics and Bioengineering . 7 : 469–95. doi :10.1146/annurev.bb.07.060178.002345. PMID  352246.
  4. ^ Smirnova T, Segall JE (октябрь 2007 г.). «Амебоидный хемотаксис: будущие проблемы и возможности». Cell Adhesion & Migration . 1 (4): 165–70. doi : 10.4161/cam.1.4.5305. PMC 2634101. PMID  19262145. 
  5. ^ Pollard TD (июнь 2007). «Регулирование сборки актиновых филаментов комплексом Arp2/3 и форминами». Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure . 36 (1): 451–77. doi :10.1146/annurev.biophys.35.040405.101936. PMID  17477841.
  6. ^ Condeelis J (ноябрь 1993 г.). «Жизнь на переднем крае: формирование клеточных выступов». Annual Review of Cell Biology . 9 (1): 411–44. doi :10.1146/annurev.cb.09.110193.002211. PMID  8280467.
  7. ^ Swaney KF, Huang CH, Devreotes PN (апрель 2010 г.). «Эукариотический хемотаксис: сеть сигнальных путей контролирует подвижность, направленное восприятие и полярность». Annual Review of Biophysics . 39 (1): 265–89. doi :10.1146/annurev.biophys.093008.131228. PMC 4364543. PMID  20192768 . 
  8. ^ Канеширо, Эдна С. (1995). «Амебовидное движение, реснички и жгутики». Справочник по клеточной физиологии . С. 611–637. doi :10.1016/B978-0-12-656970-4.50051-8. ISBN 978-0-12-656970-4.
  9. ^ abcdefghi Van Haastert PJ (8 ноября 2011 г.). Hotchin NA (ред.). «Амебоидные клетки используют выступы для ходьбы, скольжения и плавания». PLOS ONE . ​​6 (11): e27532. Bibcode :2011PLoSO...627532V. doi : 10.1371/journal.pone.0027532 . PMC 3212573 . PMID  22096590. 
  10. ^ abcdef Отмер, Х. Г. (январь 2019 г.). «Динамика эукариотических клеток от ползающих до пловцов». WIREs Computational Molecular Science . 9 (1). doi :10.1002/wcms.1376. PMC 6402608. PMID 30854030  . 
  11. ^ ab Heintzelman, Matthew B. (2006). Клеточная и молекулярная механика планирующего движения у эукариот . Международный обзор цитологии. Т. 251. С. 79–129. doi :10.1016/S0074-7696(06)51003-4. ISBN 978-0-12-364655-2. PMID  16939778.
  12. ^ abc Барри, Николас П.; Бретшер, Марк С. (22 июня 2010 г.). «Амебы Dictyostelium и нейтрофилы умеют плавать». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (25): 11376–11380. Bibcode : 2010PNAS..10711376B. doi : 10.1073/pnas.1006327107 . PMC 2895083. PMID  20534502. 
  13. ^ ab Rastogi SC (2010). Клеточная и молекулярная биология (3-е изд.). Нью-Дели: New Age International. стр. 461. ISBN 9788122430790. Получено 29 октября 2014 г.
  14. ^ Coskun H, Coskun H (март 2011). «Клеточный врач: чтение движения клеток: математический диагностический метод посредством анализа движения отдельных клеток». Бюллетень математической биологии . 73 (3): 658–82. doi :10.1007/s11538-010-9580-x. PMID  20878250. S2CID  37036941.
  15. ^ Ballestrem C, Wehrle-Haller B, Hinz B, Imhof BA (сентябрь 2000 г.). «Формирование ламеллиподий, зависящее от актина, и миграция клеток, контролируемая микротрубочками, зависящая от ретракции хвоста». Молекулярная биология клетки . 11 (9): 2999–3012. doi :10.1091/mbc.11.9.2999. PMC 14971. PMID 10982396  . 
  16. ^ Yoshida K, Soldati T (сентябрь 2006 г.). «Диссекция амебоидного движения на два механически различных режима». Journal of Cell Science . 119 (Pt 18): 3833–44. doi : 10.1242/jcs.03152 . PMID  16926192.
  17. ^ Coleman ML, Sahai EA, Yeo M, Bosch M, Dewar A, Olson MF (апрель 2001 г.). «Мембранное блеббинговое образование во время апоптоза является результатом активации ROCK I, опосредованной каспазой». Nature Cell Biology . 3 (4): 339–45. doi :10.1038/35070009. PMID  11283606. S2CID  2537726.
  18. ^ Fackler OT, Grosse R (июнь 2008). «Подвижность клеток через плазматическую мембрану blebbing». Журнал клеточной биологии . 181 (6): 879–84. doi :10.1083/jcb.200802081. PMC 2426937. PMID  18541702 . 
  19. ^ Bergert M, Chandradoss SD, Desai RA, Paluch E (сентябрь 2012 г.). «Механика клеток контролирует быстрые переходы между пузырьками и ламеллиподиями во время миграции». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (36): 14434–9. Bibcode : 2012PNAS..10914434B. doi : 10.1073/pnas.1207968109 . PMC 3437886. PMID  22786929 . 
  20. ^ Bae AJ, Bodenschatz E (ноябрь 2010 г.). «О плавании амеб Dictyostelium». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (44): E165-6. arXiv : 1008.3709 . Bibcode : 2010PNAS..107E.165B. doi : 10.1073 /pnas.1011900107 . PMC 2973909. PMID  20921382.