Эпителиальная полярность является одним из примеров клеточной полярности , которая является фундаментальной особенностью многих типов клеток . Эпителиальные клетки имеют отчетливые «апикальные», «латеральные» и «базальные» домены плазматической мембраны . Эпителиальные клетки соединяются друг с другом через свои боковые мембраны, образуя эпителиальные слои , которые выстилают полости и поверхности по всему телу животного. Каждый домен плазматической мембраны имеет особый белковый состав, что придает им особые свойства и позволяет осуществлять направленный транспорт молекул через эпителиальный слой. То, как эпителиальные клетки генерируют и поддерживают полярность, остается неясным, но было обнаружено, что определенные молекулы играют ключевую роль.
На апикальной мембране расположено множество молекул , но только несколько ключевых молекул действуют как детерминанты, необходимые для поддержания идентичности апикальной мембраны и, таким образом, эпителиальной полярности. Эти молекулы — белки Cdc42 , атипичная протеинкиназа C (aPKC), Par6 , Par3 /Bazooka/ASIP. [1] Crumbs, «Stardust» и белок плотных контактов (PATJ). Эти молекулы, по-видимому, образуют два различных комплекса: комплекс aPKC-Par3-Par6 «aPKC» (или «Par»), который также взаимодействует с Cdc42; и комплекс Crumbs-Stardust-PATJ «Crumbs». Из этих двух комплексов комплекс aPKC является наиболее важным для эпителиальной полярности, поскольку он требуется даже тогда, когда комплекс Crumbs не требуется. Crumbs — единственный трансмембранный белок в этом списке, и комплекс Crumbs служит апикальным сигналом для удержания комплекса aPKC на апикальном уровне во время сложных изменений формы клетки. [ необходима цитата ]
В контексте физиологии почечных канальцев термин базолатеральная мембрана относится к клеточной мембране , которая ориентирована от просвета канальца, тогда как термин апикальная или просветная мембрана относится к клеточной мембране , которая ориентирована к просвету. Основная функция этой базолатеральной мембраны заключается в том, чтобы принимать метаболические отходы в эпителиальную клетку для утилизации в просвет, где они транспортируются из организма в виде мочи . Вторичная роль базолатеральной мембраны заключается в том, чтобы позволить рециркуляцию желаемых субстратов, таких как глюкоза , которые были спасены из просвета канальца для секреции в интерстициальную жидкость . [2]
Базальные и латеральные мембраны имеют общие детерминанты: белки LLGL1 , DLG1 и SCRIB . Все эти три белка локализуются в базолатеральном домене и необходимы для базолатеральной идентичности и эпителиальной полярности.
Как поляризуются эпителиальные клетки, до сих пор не до конца понятно. Были предложены некоторые ключевые принципы для поддержания полярности, но механизмы, лежащие в основе этих принципов, еще предстоит открыть.
Первый принцип — положительная обратная связь . В компьютерных моделях молекула, которая может быть как мембранно-ассоциированной, так и цитоплазматической, может поляризоваться, когда ее ассоциация с мембраной подчиняется положительной обратной связи: эта локализация на мембране происходит сильнее всего там, где молекула уже наиболее сконцентрирована. В подобных моделях исследователи показали, что эпителиальные клетки могут самоорганизовываться в богатый набор надежных биологических форм. [3] У дрожжей saccharomyces cerevisiae есть генетические доказательства того, что Cdc42 подчиняется положительной обратной связи такого рода и может спонтанно поляризоваться даже при отсутствии внешнего сигнала. У плодовой мушки Drosophila melanogaster Cdc42 привлекается комплексом aPKC, а затем способствует апикальной локализации комплекса aPKC в вероятной петле положительной обратной связи. Таким образом, в отсутствие Cdc42 или комплекса aPKC апикальные детерминанты не могут поддерживаться на апикальной мембране, и, следовательно, апикальная идентичность и полярность теряются.
Второй принцип — сегрегация детерминант полярности. Резкое различие между апикальными и базолатеральными доменами поддерживается активным механизмом, который предотвращает смешивание. Природа этого механизма неизвестна, но он явно зависит от детерминант полярности. При отсутствии комплекса aPKC базолатеральные детерминанты распространяются в бывший апикальный домен. Наоборот, при отсутствии любого из Lgl, Dlg или Scrib апикальные детерминанты распространяются в бывший базолатеральный домен. Таким образом, две детерминанты ведут себя так, как будто они оказывают взаимное отталкивание друг на друга.
Третий принцип — направленный экзоцитоз . Апикальные мембранные белки транспортируются из аппарата Гольджи в апикальную, а не в базолатеральную мембрану, поскольку апикальные детерминанты служат для определения правильного места назначения для доставки везикул . Вероятно, аналогичный механизм действует для базолатеральных мембран.
Четвертый принцип — липидная модификация. Компонент липидного бислоя, фосфатидилинозитолфосфат (PIP), может фосфорилироваться с образованием PIP 2 и PIP 3. В некоторых эпителиальных клетках PIP 2 локализован апикально, а PIP 3 — базолатерально. По крайней мере в одной культивируемой клеточной линии, клетке MDCK, эта система необходима для эпителиальной полярности. Связь между этой системой и детерминантами полярности в тканях животных остается неясной.
Поскольку базальные и латеральные мембраны имеют одни и те же детерминанты, другой механизм должен определять разницу между двумя доменами. Форма клеток и контакты обеспечивают вероятный механизм. Боковые мембраны являются местом контакта между эпителиальными клетками, тогда как базальные мембраны соединяют эпителиальные клетки с базальной мембраной , слоем внеклеточного матрикса, который лежит вдоль базальной поверхности эпителия. Некоторые молекулы, такие как интегрины , локализуются конкретно на базальной мембране и образуют связи с внеклеточным матриксом.
Эпителиальные клетки бывают разных форм , которые связаны с их функцией в развитии или физиологии. То, как эпителиальные клетки принимают определенные формы, плохо изучено, но это должно включать пространственный контроль актинового цитоскелета , который играет центральную роль в форме клетки во всех растительных клетках.
Апикальные рыла , также называемые апикальными пузырьками , представляют собой небольшие выступы цитоплазмы в сторону просвета. Они обычно встречаются в апокриновых клетках, а также могут появляться при апокриновой метаплазии и столбчатых изменениях клеток в молочной железе. [4]
Все эпителиальные клетки экспрессируют трансмембранную молекулу адгезии E-кадгерин , кадгерин , который локализуется наиболее заметно на стыке между апикальной и боковой мембранами. Внеклеточные домены молекул E-кадгерина из соседних клеток связываются друг с другом посредством гомотипического взаимодействия. Внутриклеточные домены молекул E-кадгерина связываются с актиновым цитоскелетом через адаптерные белки альфа-катенин и бета-катенин . [5] Таким образом, E-кадгерин образует адгезионные соединения , которые соединяют актиновые цитоскелеты соседних клеток. Адгезивные соединения являются основными несущими силу соединениями между эпителиальными клетками и имеют принципиально важное значение для поддержания формы эпителиальных клеток и для динамических изменений формы во время развития ткани. То, как E-кадгерин локализуется на границе между апикальной и боковой мембранами, неизвестно, но поляризованные мембраны необходимы для поддержания E-кадгерина в адгезионных соединениях.
Брюс Альбертс; Александр Джонсон; Джулиан Льюис; Мартин Рафф; Кит Робертс; Питер Уолтер, ред. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )