stringtranslate.com

Коллективная миграция клеток

Коллективная миграция клеток описывает движения группы клеток и возникновение коллективного поведения в результате взаимодействия клетки с окружающей средой и межклеточной коммуникации. Коллективная миграция клеток является важным процессом в жизни многоклеточных организмов , например, в эмбриональном развитии , заживлении ран и распространении рака ( метастазировании ). [1] Клетки могут мигрировать как сплоченная группа (например, эпителиальные клетки ) или иметь временные участки межклеточной адгезии (например, мезенхимальные клетки). [2] Они также могут мигрировать разными способами, например листами, нитями, трубками и кластерами. [3] В то время как миграция одиночных клеток широко изучается, коллективная миграция клеток является относительно новой областью применения для предотвращения врожденных дефектов или дисфункции эмбрионов. Это может улучшить лечение рака, позволяя врачам предотвращать распространение опухолей и образование новых.

Взаимодействие клетки и окружающей среды

Окружающая среда мигрирующей клетки может влиять на ее скорость, устойчивость и направление миграции, стимулируя ее. Внеклеточный матрикс (ECM) обеспечивает не только структурную и биохимическую поддержку, но также играет важную роль в регуляции поведения клеток. Различные белки ЕСМ (такие как коллаген , эластин , фибронектин , ламинин и другие) позволяют клеткам слипаться и мигрировать, образуя при этом очаговые спайки спереди и разбирая их сзади. Используя эти места адгезии, клетки также воспринимают механические свойства ЕСМ. Клетки могут управляться градиентом этих белков ( гаптотаксис ) или градиентом растворимых субстратов в жидкой фазе, окружающей клетку ( хемотаксис ). Клетки воспринимают субстрат через свои рецепторы и мигрируют в направлении концентрации (или в противоположном направлении). Другой формой стимуляции могут быть градиенты жесткости ЕСМ ( дуротаксис ). [ нужна цитата ]

Заключение

Коллективная миграция клеток усиливается за счет геометрического ограничения молекул внеклеточного матрикса (например, протеогликана версикана в клетках нервного гребня ), который действует как барьер, способствуя возникновению организованной миграции в отдельных потоках. Конфайнмент также наблюдается in vivo , где оптимальная ширина является функцией числа мигрирующих клеток в разных потоках разных видов . [4]

Сотовая связь

Мигрирующая изолированная клетка реагирует на сигналы окружающей среды и соответствующим образом меняет свое поведение. Поскольку межклеточная коммуникация в этом случае не играет большой роли, схожие траектории наблюдаются в разных изолированных клетках. Однако когда клетка мигрирует как часть коллектива, она не только реагирует на окружающую среду, но также взаимодействует с другими клетками посредством растворимых субстратов и физического контакта. Эти механизмы межклеточной коммуникации являются основными причинами разницы между эффективной миграцией коллективных и случайными блуждающими движениями изолированной клетки. Механизмы межклеточной коммуникации широко изучаются экспериментально ( in vivo и in vitro ), [5] и вычислительно ( in silico ). [6]

Совместное притяжение

Совместное притяжение между коллективно мигрирующими клетками представляет собой процесс, посредством которого клетки одного и того же типа секретируют хемоаттрактант (например, C3a в клетках нервного гребня), который стимулирует другие клетки в группе, имеющие рецепторы к этому хемоаттрактанту. Клетки чувствуют секретируемый субстрат и реагируют на стимуляцию, двигаясь навстречу друг другу и сохраняя высокую плотность клеток. [7] [8]

Контактное торможение локомоции.

Контактное торможение локомоции (CIL) — это процесс, при котором клетка меняет направление движения после столкновения с другой клеткой. Эти клетки могут относиться к одному и тому же типу клеток или к разным типам. Контакты ( клеточные соединения ) создаются трансмембранными гликопротеинами , называемыми кадгеринами ( Е-кадгерин , N-кадгерин или кадгерин 11 ), и другими белками . После межклеточного контакта выдвижение клеток в направлении контакта тормозится. В процессе CIL клетки мигрируют друг от друга, реполяризуясь в новом направлении, так что новые выступы образуются спереди, в то время как сокращения отрывают заднюю часть от контакта. [ нужна цитата ]

Примеры изучаемых систем

Модели для изучения коллективной миграции клеток  [10]
Красные стрелки показывают направление миграции для каждой ткани.

Коллективную миграцию клеток изучают на многих модельных видах.

Пограничные клетки у мух ( Drosophila melanogaster ): пограничные клетки мигрируют во время дифференцировки яйцеклеток, чтобы быть готовыми к оплодотворению. [11]

Боковая линия рыбок данио : коллективная миграция клеток от головы к хвосту необходима для развития сенсорной системы рыбы. Датчики боковой линии измеряют поток по поверхности тела рыбы. [12]

Заживление ран : коллективная миграция клеток является важной частью процесса заживления, область раны закрывается мигрирующими клетками. [13] [14] Заживление ран обычно изучается in vitro с использованием клеточных линий, таких как клетки почек собак Мадина-Дарби .

Клетки нервного гребня у мышей , [15] птенцов леггорна , [16] амфибий ( Xenopus laevis ), [17] и рыб [18] ( рыбки данио ): коллективная миграция клеток нервного гребня происходит во время развития эмбрионов позвоночных животных. Они мигрируют на большие расстояния от головы ( нервной трубки ), давая начало различным тканям. [19]

Распространение рака ( метастазирование ): частым осложнением рака является образование новых опухолей (вторичных опухолей) в результате миграции раковых клеток из первичной опухоли. Подобно коллективной миграции клеток в процессе развития и заживлению ран, раковые клетки также подвергаются эпителиально-мезенхимальному переходу (ЕМТ), что уменьшает межклеточные спайки и способствует распространению рака. [20]

На диаграмме справа показано:

Математические модели

Существует несколько математических моделей, описывающих коллективное движение клеток. Обычно решается ньютоновское уравнение движения системы ячеек. [21] На каждую отдельную клетку действуют несколько сил , примерами которых являются трение (между окружающей средой и другими клетками), хемотаксис и самодвижение . Последнее подразумевает, что клетки представляют собой активную материю, далекую от теплового равновесия и способную генерировать силу за счет сократительного движения миозина-актина. Обзор физического описания коллективной миграции клеток [22] показывает, что можно использовать следующие типы моделей:

Эти математические модели дают некоторое представление о таких сложных явлениях, как рак, заживление ран [24] и эктоплазма .

Спектр коллективной миграции клеток

На диаграмме ниже различные морфологии коллективной миграции клеток характеризуются их сплоченностью во время миграции (обратно пропорциональной плотности), а также количеством ближайших соседей, с которыми клетка взаимодействует во время движения (т.е. топологическое расположение отдельных клеток в население). Клетки (эллипсы) могут мигрировать линейными цепочками (вверху слева) с постоянным контактом с клетками по обе стороны от них или по тропам, образованным предыдущими клетками (внизу слева). В мигрирующих листах клетки могут сохранять большую часть своих ближайших соседей с течением времени (вверху справа), тогда как при потоковой миграции межклеточные контакты происходят на большем расстоянии и с потенциально частой перестановкой соседей (внизу справа). Эти концепции легко распространяются на трехмерную миграцию, и в этом случае место мигрирующих листов могут занять движущиеся кластеры или сфероиды. [25]

Спектр коллективной миграции клеток  [25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фридл, П; Хегерфельдт, Ю; Туш, М (2004). «Коллективная миграция клеток при морфогенезе и раке». Международный журнал биологии развития . 48 (5–6): 441–9. дои : 10.1387/ijdb.041821pf . ПМИД  15349818.
  2. ^ Вейер, CJ (15 сентября 2009 г.). «Коллективная миграция клеток в развитии». Журнал клеточной науки . 122 (Часть 18): 3215–23. дои : 10.1242/jcs.036517 . ПМИД  19726631.Значок открытого доступа
  3. ^ Фридл, П. (февраль 2004 г.). «Предварительная спецификация и пластичность: меняющиеся механизмы миграции клеток». Современное мнение в области клеточной биологии . 16 (1): 14–23. дои : 10.1016/j.ceb.2003.11.001. ПМИД  15037300.
  4. ^ Сабо, Андраш; Мельчионда, Мануэла; Настази, Джанкарло; Вудс, Мэй Л.; Кампо, Сальваторе; Перрис, Роберто; Мэр Роберто (6 июня 2016 г.). «Заключение in vivo способствует коллективной миграции клеток нервного гребня». Журнал клеточной биологии . 213 (5): 543–555. дои : 10.1083/jcb.201602083. ПМК 4896058 . ПМИД  27241911. 
  5. ^ Мэр, Р; Этьен-Манвиль, С. (февраль 2016 г.). «Фронт и тыл коллективной миграции клеток» (PDF) . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 17 (2): 97–109. дои : 10.1038/номер.2015.14. PMID  26726037. S2CID  27261044.
  6. ^ Сабо, А; Мэр Р. (октябрь 2016 г.). «Моделирование коллективной миграции клеток нервного гребня». Современное мнение в области клеточной биологии . 42 : 22–28. дои : 10.1016/j.ceb.2016.03.023. ПМК 5017515 . ПМИД  27085004. 
  7. ^ Вудс, ML; Кармона-Фонтен, К; Барнс, CP; Кузен, ID; Мэр Р.; Пейдж, К.М. (2014). «Направленная коллективная миграция клеток возникает как свойство клеточных взаимодействий». ПЛОС ОДИН . 9 (9): e104969. Бибкод : 2014PLoSO...9j4969W. дои : 10.1371/journal.pone.0104969 . ПМЦ 4152153 . ПМИД  25181349. 
  8. ^ Кармона-Фонтен, К; Тевено, Э; Цеку, А; Тада, М; Вудс, М; Пейдж, км; Парсонс, М; Ламбрис, доктор юридических наук; Мэр Р. (13 декабря 2011 г.). «Фрагмент комплемента C3a контролирует взаимное притяжение клеток во время коллективной миграции клеток». Развивающая клетка . 21 (6): 1026–37. дои : 10.1016/j.devcel.2011.10.012. ПМЦ 3272547 . ПМИД  22118769. 
  9. ^ Стокер, МГ; Рубин, Х. (8 июля 1967 г.). «Зависимое от плотности ингибирование роста клеток в культуре». Природа . 215 (5097): 171–2. Бибкод : 1967Natur.215..171S. дои : 10.1038/215171a0. PMID  6049107. S2CID  4150783.
  10. ^ abcd Баррига, Элиас Х.; Мэр Роберто (2019). «Регулируемая вязкоупругость обеспечивает эффективную коллективную миграцию клеток». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 93 : 55–68. doi :10.1016/j.semcdb.2018.05.027. ПМЦ 6854469 . ПМИД  29859995.  Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.
  11. ^ Бьянко, А; Пуккула, М; Клифф, А; Матье, Дж; Луке, СМ; Фулга, штат Техас; Рёрт, П. (19 июля 2007 г.). «Два различных режима передачи сигналов во время коллективной миграции пограничных клеток». Природа . 448 (7151): 362–5. Бибкод : 2007Natur.448..362B. дои : 10.1038/nature05965. PMID  17637670. S2CID  4369682.
  12. ^ Далле Ногаре, D; Сомерс, К; Рао, С; Мацуда, М; Райхман-Фрид, М; Раз, Э; Читнис, AB (август 2014 г.). «Ведущие и замыкающие клетки взаимодействуют в коллективной миграции зачатка задней боковой линии рыбок данио». Разработка . 141 (16): 3188–96. дои : 10.1242/dev.106690. ПМЦ 4197546 . ПМИД  25063456. 
  13. ^ Града А (февраль 2017 г.). «Анализ коллективной миграции клеток с использованием анализа заживления ран». Джей Инвест Дерматол . 137 (2): e11–e16. дои : 10.1016/j.jid.2016.11.020 . ПМИД  28110712.
  14. ^ Трепат, Ксавье; Вассерман, Майкл Р.; Анджелини, Томас Э.; Милле, Эмиль; Вайц, Дэвид А.; Батлер, Джеймс П.; Фредберг, Джеффри Дж. (3 мая 2009 г.). «Физические силы во время коллективной миграции клеток». Физика природы . 5 (6): 426–430. Бибкод : 2009NatPh...5..426T. дои : 10.1038/nphys1269 .
  15. ^ Трейнор, Пенсильвания (декабрь 2005 г.). «Характеристика формирования и миграции клеток нервного гребня у эмбрионов мыши». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 16 (6): 683–93. doi :10.1016/j.semcdb.2005.06.007. ПМИД  16043371.
  16. ^ Джонстон, MC (октябрь 1966 г.). «Радиоавтографическое исследование миграции и судьбы краниальных клеток нервного гребня куриного эмбриона». Анатомическая запись . 156 (2): 143–55. дои : 10.1002/ar.1091560204. PMID  5969670. S2CID  11251193.
  17. ^ Садагиани, Б; Тибо, Швейцария (ноябрь 1987 г.). «Развитие нервного гребня у эмбриона Xenopus laevis , изученное с помощью межвидовой трансплантации и сканирующей электронной микроскопии». Биология развития . 124 (1): 91–110. дои : 10.1016/0012-1606(87)90463-5. ПМИД  3666314.
  18. ^ Смит, М.; Хикман, А.; Аманзе, Д.; Ламсден, А.; Торогуд, П. (23 мая 1994 г.). «Происхождение туловищного нервного гребня мезенхимы хвостового плавника у рыбки данио Brachydanio rerio ». Труды Королевского общества B: Биологические науки . 256 (1346): 137–145. Бибкод : 1994РСПСБ.256..137С. дои :10.1098/rspb.1994.0061. JSTOR  50346. S2CID  86494317.
  19. ^ Ле Дуарен, Николь и Хая Кальхайм. Нервный гребень. № 36. Издательство Кембриджского университета, 1999.
  20. ^ Тьери, JP; Аклок, Х; Хуанг, RY; Ньето, Массачусетс (25 ноября 2009 г.). «Эпителиально-мезенхимальные переходы в развитии и заболеваниях». Клетка . 139 (5): 871–90. дои : 10.1016/j.cell.2009.11.007 . ПМИД  19945376.Значок открытого доступа
  21. ^ Акияма, Масакадзу; Сусида, Такамичи; Исида, Сумире; Хага, Хисаши (2017). «Математическая модель коллективной миграции клеток, основанная на полярности клеток». Развитие, рост и дифференциация . 59 (5): 471–490. дои : 10.1111/dgd.12381 . ISSN  1440-169X. ПМИД  28714585.
  22. ^ Внимание, Рикар; Трепат, Ксавье (10 марта 2020 г.). «Физические модели коллективной миграции клеток». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 11 (1): 77–101. arXiv : 1905.07675 . Бибкод : 2020ARCMP..11...77A. doi : 10.1146/annurev-conmatphys-031218-013516. ISSN  1947-5454. S2CID  159041328.
  23. ^ Шовьер, А.; Хиллен, Т.; Прециози, Л. (2007). «Моделирование движения клеток в анизотропных и гетерогенных сетевых тканях». Сети и гетерогенные медиа . 2 (2): 333–357. дои : 10.3934/nhm.2007.2.333. ISSN  1556-181X.
  24. ^ Арсьеро, Джулия С.; Ми, Ци; Бранка, Мария Ф.; Хакам, Дэвид Дж.; Свигон, Дэвид (2 февраля 2011 г.). «Континуальная модель коллективной миграции клеток при заживлении ран и расширении колоний». Биофизический журнал . 100 (3): 535–543. Бибкод : 2011BpJ...100..535A. дои : 10.1016/j.bpj.2010.11.083. ISSN  0006-3495. ПМК 3030184 . ПМИД  21281567. 
  25. ^ abcd Шумахер, Линус Дж.; Кулеса, Пол М.; МакЛеннан, Ребекка; Бейкер, Рут Э.; Майни, Филип К. (2016). «Мультидисциплинарные подходы к пониманию коллективной миграции клеток в биологии развития». Открытая биология . 6 (6): 160056. doi :10.1098/rsob.160056. ПМЦ 4929938 . ПМИД  27278647.  Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.

Внешние ссылки