Миграция клеток — центральный процесс в развитии и поддержании многоклеточных организмов . Формирование тканей во время эмбрионального развития , заживление ран и иммунные реакции — все это требует организованного движения клеток в определенных направлениях и в определенных местах. Клетки часто мигрируют в ответ на определенные внешние сигналы, включая химические сигналы и механические сигналы . [1] Ошибки во время этого процесса имеют серьезные последствия, включая умственную отсталость , сосудистые заболевания , образование опухолей и метастазирование . Понимание механизма миграции клеток может привести к разработке новых терапевтических стратегий для контроля, например, инвазивных опухолевых клеток.
Из-за высокой вязкости среды (низкое число Рейнольдса ) клеткам необходимо постоянно создавать силы, чтобы двигаться. Клетки достигают активного движения с помощью совершенно разных механизмов. Многие менее сложные прокариотические организмы (и сперматозоиды) используют жгутики или реснички для движения. Миграция эукариотических клеток обычно гораздо сложнее и может состоять из комбинации различных механизмов миграции. Обычно оно включает в себя радикальные изменения формы клеток, которые вызываются цитоскелетом . Два совершенно разных сценария миграции — это ползучее движение (наиболее часто изучаемое) и пузырчатая подвижность. [2] [3] Ярким примером ползания является случай эпидермальных кератоцитов рыб, которые широко используются в исследованиях и обучении. [4]
Миграцию культивируемых клеток , прикрепленных к поверхности или в 3D, обычно изучают с помощью микроскопии . [5] [6] [3] Поскольку движение клеток очень медленное, со скоростью несколько микрометров в минуту, для ускорения движения записываются покадровые микроскопические видеоролики мигрирующих клеток. Такие видео (рис. 1) показывают, что ведущий клеточный фронт очень активен, с характерным поведением последовательных сокращений и расширений. Принято считать, что ведущий фронт является основным двигателем, тянущим клетку вперед.
Считается, что процессы, лежащие в основе миграции клеток млекопитающих, согласуются с процессами ( несперматозойной ) локомоции . [7] Общие наблюдения включают в себя:
Последнюю особенность легче всего наблюдать, когда агрегаты поверхностной молекулы сшиваются флуоресцентным антителом или когда небольшие шарики искусственно связываются с передней частью клетки. [8]
Наблюдается аналогичная миграция и других эукариотических клеток. Амеба Dictyostelium discoideum полезна для исследователей, поскольку она постоянно демонстрирует хемотаксис в ответ на циклический АМФ ; они движутся быстрее, чем культивируемые клетки млекопитающих; и у них есть гаплоидный геном, который упрощает процесс соединения определенного генного продукта с его влиянием на поведение клеток. [9]
Существуют две основные теории того, как клетка продвигает свой передний край: модель цитоскелета и модель мембранного потока. Возможно, что оба основных процесса способствуют расширению клеток.
Эксперименты показали, что на переднем крае клетки происходит быстрая полимеризация актина . [10] Это наблюдение привело к гипотезе, что образование актиновых нитей «подталкивает» передний край вперед и является основной движущей силой для продвижения переднего края клетки. [11] [12] Кроме того, элементы цитоскелета способны широко и тесно взаимодействовать с плазматической мембраной клетки. [13]
Другие компоненты цитоскелета (например, микротрубочки) выполняют важные функции в миграции клеток. Было обнаружено, что микротрубочки действуют как «стойки», противодействующие сократительным силам, необходимым для ретракции заднего края во время движения клеток. Когда микротрубочки на заднем крае клетки динамичны, они способны ремоделироваться, обеспечивая втягивание. Когда динамика подавлена, микротрубочки не могут реконструироваться и, следовательно, противодействовать сократительным силам. [14] Морфология клеток с подавленной динамикой микротрубочек указывает на то, что клетки могут расширять передний край (поляризовано в направлении движения), но испытывают трудности с втягиванием заднего края. [15] С другой стороны, высокие концентрации лекарства или мутации микротрубочек, которые деполимеризуют микротрубочки, могут восстановить миграцию клеток, но при этом происходит потеря направленности. Можно заключить, что микротрубочки действуют как для ограничения движения клеток, так и для установления направленности.
Передний край в передней части мигрирующей клетки также является местом, в котором мембрана из внутренних мембранных пулов возвращается на поверхность клетки в конце эндоцитарного цикла . [16] [17] Это предполагает, что расширение переднего края происходит в первую очередь за счет добавления мембраны в передней части клетки. Если это так, то образующиеся там актиновые нити могут стабилизировать добавленную мембрану так, что образуется структурированное расширение, или пластинка, а не пузыреподобная структура (или пузырь) на ее передней части. [18] Чтобы клетка могла двигаться, необходимо принести вперед свежий запас «ножек» (белков, называемых интегринами , которые прикрепляют клетку к поверхности, по которой она ползет). Вполне вероятно, что эти ножки подвергаются эндоцитозу [19] по направлению к задней части клетки и переносятся на переднюю часть клетки путем экзоцитоза, чтобы повторно использоваться для образования новых прикреплений к субстрату.
В случае Dictyostelium amoebae три условных чувствительных к температуре мутанта , которые влияют на рециркуляцию мембраны, блокируют миграцию клеток при рестриктивной (более высокой) температуре; [20] [21] [22] они обеспечивают дополнительное подтверждение важности эндоцитарного цикла в миграции клеток. Кроме того, эти амебы перемещаются довольно быстро — примерно на одну клетку за ~5 минут. Если их считать цилиндрическими (что примерно верно во время хемотаксиса), это потребует от них перерабатывать эквивалент одной площади поверхности клетки каждые 5 минут, что примерно соответствует измерению. [23]
Адгезивное ползание — не единственный способ миграции, присущий эукариотическим клеткам. Важно отметить, что несколько типов клеток — амебы Dictyostelium , нейтрофилы , метастатические раковые клетки и макрофаги — способны к миграции, независимой от адгезии. Исторически физик Э. М. Перселл предположил (в 1977 году), что в условиях гидродинамики с низким числом Рейнольдса , которая применяется в клеточном масштабе, обратный поверхностный поток может обеспечить механизм плавания микроскопических объектов вперед. [25] Спустя несколько десятилетий экспериментальная поддержка этой модели движения клеток была предоставлена, когда было обнаружено (в 2010 году), что амебоидные клетки и нейтрофилы способны хемотаксировать в направлении источника хемоаттрактанта, будучи суспендированы в изоденсной среде. [26] Впоследствии с помощью оптогенетики было показано , что клетки, мигрирующие амебоидным образом без спаек, демонстрируют поток плазматической мембраны к задней части клетки, который может продвигать клетки, оказывая тангенциальные силы на окружающую жидкость. [24] [27] Поляризованный перенос мембраносодержащих везикул из задней части клетки в переднюю помогает поддерживать размер клетки. [24] Задний мембранный поток также наблюдался в клетках Dictyostelium discoideum . [28] Эти наблюдения обеспечивают убедительную поддержку моделей движения клеток, которые зависят от потока мембраны на задней поверхности клетки (Модель B, выше). Интересно, что миграция супраклеточных кластеров также поддерживается сходным механизмом обратного поверхностного потока. [29]
Основываясь на некоторых математических моделях, недавние исследования выдвигают гипотезу о новой биологической модели коллективного биомеханического и молекулярного механизма движения клеток. [30] Предполагается, что микродомены ткут текстуру цитоскелета, и их взаимодействия отмечают место для образования новых сайтов адгезии. Согласно этой модели, динамика передачи сигналов микродоменов организует цитоскелет и его взаимодействие с субстратом. Поскольку микродомены запускают и поддерживают активную полимеризацию актиновых филаментов, их распространение и зигзагообразное движение по мембране создают сильно взаимосвязанную сеть изогнутых или линейных филаментов, ориентированных под широким спектром углов к границе клетки. Также предполагается, что взаимодействие микродоменов маркирует образование новых участков фокальной адгезии на периферии клетки. Взаимодействие миозина с актиновой сетью затем приводит к ретракции/взъерошению мембраны, ретроградному потоку и сократительным силам для движения вперед. Наконец, постоянное приложение напряжения к старым местам фокальных спаек может привести к индуцированной кальцием активации кальпаина и, следовательно, к отслоению фокальных спаек, что завершает цикл.
Мигрирующие клетки имеют полярность — переднюю и заднюю. Без него они бы двигались во всех направлениях сразу, т.е. распространялись бы. Как эта полярность формулируется на молекулярном уровне внутри клетки, неизвестно. В ячейке, которая извивается случайным образом, фронт может легко уступить место пассивному, поскольку какая-то другая область или области ячейки образуют новый фронт. В клетках, подвергающихся хемотаксису, стабильность фронта увеличивается по мере продвижения клетки к более высокой концентрации стимулирующего химического вещества. С биофизической точки зрения полярность объяснялась градиентом поверхностного заряда внутренней мембраны между передними областями и задними краями клетки. [31] Эта полярность отражается на молекулярном уровне в ограничении определенных молекул определенными областями внутренней поверхности клетки . Таким образом, фосфолипид PIP3 и активированные Rac и CDC42 находятся в передней части клетки, тогда как Rho GTPase и PTEN находятся в задней части. [32] [33]
Считается, что нитчатые актины и микротрубочки важны для установления и поддержания полярности клетки. [34] Лекарства, разрушающие актиновые филаменты, оказывают множественное и сложное действие, отражающее широкую роль, которую эти филаменты играют во многих клеточных процессах. Возможно, в рамках локомоторного процесса мембранные везикулы транспортируются по этим нитям к передней части клетки. В клетках, подвергающихся хемотаксису, повышенная персистенция миграции к мишени может быть результатом повышенной стабильности расположения нитевидных структур внутри клетки и определять ее полярность. В свою очередь, эти нитевидные структуры могут располагаться внутри клетки в соответствии с тем, как молекулы типа PIP3 и PTEN расположены на внутренней клеточной мембране. А их расположение, по-видимому, в свою очередь определяется сигналами хемоаттрактантов, поскольку они воздействуют на специфические рецепторы на внешней поверхности клетки.
Хотя уже много лет известно, что микротрубочки влияют на миграцию клеток, механизм, с помощью которого они это делают, остается спорным. На плоской поверхности микротрубочки не нужны для движения, но они необходимы для обеспечения направленности движения клеток и эффективного выпячивания переднего края. [15] [35] Микротрубочки, если они присутствуют, замедляют движение клеток, когда их динамика подавляется лекарственным лечением или мутациями тубулина. [15]
Создано направление исследований под названием обратные задачи подвижности клеток. [36] [37] [30] Этот подход основан на идее о том, что изменения поведения или формы клетки несут информацию о основных механизмах, которые генерируют эти изменения. Чтение движения клеток, а именно понимание лежащих в основе биофизических и механохимических процессов, имеет первостепенное значение.[38] [39] Математические модели, разработанные в этих работах, определяют некоторые физические особенности и свойства материала клеток локально посредством анализа последовательностей изображений живых клеток и используют эту информацию для дальнейших выводов о молекулярных структурах, динамике и процессах внутри клетки. клетки, такие как актиновая сеть, микродомены, хемотаксис, адгезия и ретроградный поток.
