Из-за высоковязкой среды (низкое число Рейнольдса ) клетки должны постоянно производить силы для движения. 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 комбинаций различных механизмов миграции. Обычно она включает в себя резкие изменения формы клеток, которые управляются цитоскелетом . Два совершенно разных сценария миграции — это ползучее движение (наиболее часто изучаемое) и блеббинговая подвижность. [4] [5] Парадигматическим примером ползающего движения является случай эпидермальных кератоцитов рыб, которые широко использовались в исследованиях и обучении. [6]
Исследования миграции клеток
Миграция культивируемых клеток, прикрепленных к поверхности или в 3D, обычно изучается с помощью микроскопии . [7] [8] [5]
Поскольку движение клеток очень медленное, для ускорения движения записываются покадровые видеозаписи мигрирующих клеток со скоростью несколько мкм/мин. Такие видеозаписи (рисунок 1) показывают, что передовой фронт клеток очень активен, с характерным поведением последовательных сокращений и расширений. Общепринято, что передовой фронт является основным двигателем, который тянет клетку вперед.
Общие черты
Процессы, лежащие в основе миграции клеток млекопитающих, как полагают, согласуются с процессами (несперматозоидной ) локомоции . [ 9] Общие наблюдения включают:
смещение цитоплазмы на переднем крае (спереди)
ламинарное удаление скопившихся на спине обломков по направлению к задней кромке (назад)
Последняя особенность наиболее легко наблюдается, когда агрегаты поверхностной молекулы сшиваются с флуоресцентным антителом или когда небольшие бусины искусственно прикрепляются к передней части клетки. [10]
Другие эукариотические клетки, как наблюдают, мигрируют аналогичным образом. Амеба Dictyostelium discoideum полезна для исследователей, поскольку она постоянно демонстрирует хемотаксис в ответ на циклический АМФ ; она двигается быстрее, чем культивируемые клетки млекопитающих; и у нее гаплоидный геном, который упрощает процесс связывания конкретного генного продукта с его влиянием на поведение клеток. [11]
Молекулярные процессы миграции
Существуют две основные теории того, как клетка продвигает свой передний край: модель цитоскелета и модель мембранного потока. Возможно, что оба основных процесса способствуют расширению клетки.
Модель цитоскелета (А)
Передний край
Эксперименты показали, что на переднем крае клетки происходит быстрая полимеризация актина . [12] Это наблюдение привело к гипотезе о том, что образование актиновых нитей «толкает» передний край вперед и является основной движущей силой для продвижения переднего края клетки. [13] [14] Кроме того, элементы цитоскелета способны активно и тесно взаимодействовать с плазматической мембраной клетки. [15]
Задняя кромка
Другие компоненты цитоскелета (например, микротрубочки) выполняют важные функции в миграции клеток. Было обнаружено, что микротрубочки действуют как «распорки», которые противодействуют сократительным силам, необходимым для ретракции заднего края во время движения клеток. Когда микротрубочки в заднем крае клетки динамичны, они способны ремоделироваться, чтобы обеспечить ретракцию. Когда динамика подавлена, микротрубочки не могут ремоделироваться и, следовательно, противодействуют сократительным силам. [16] Морфология клеток с подавленной динамикой микротрубочек указывает на то, что клетки могут вытягивать передний край (поляризованный в направлении движения), но испытывают трудности с втягиванием своего заднего края. [17] С другой стороны, высокие концентрации лекарств или мутации микротрубочек, которые деполимеризуют микротрубочки, могут восстановить миграцию клеток, но происходит потеря направленности. Можно сделать вывод, что микротрубочки действуют как для ограничения движения клеток, так и для установления направленности.
Модель мембранного потока (B)
Передний край в передней части мигрирующей клетки также является местом, на котором мембрана из внутренних мембранных пулов возвращается на поверхность клетки в конце эндоцитозного цикла . [18] [19] Это говорит о том, что расширение переднего края происходит в первую очередь за счет добавления мембраны в передней части клетки. Если это так, то актиновые нити, которые там образуются, могут стабилизировать добавленную мембрану так, что образуется структурированное расширение, или ламелла, а не пузырчатая структура (или пузырь) в ее передней части. [20] Для того чтобы клетка могла двигаться, необходимо принести свежий запас «ног» (белки, называемые интегринами , которые прикрепляют клетку к поверхности, по которой она ползет) вперед. Вполне вероятно, что эти ноги эндоцитируются [21] по направлению к задней части клетки и переносятся к передней части клетки путем экзоцитоза, чтобы повторно использоваться для формирования новых прикреплений к субстрату.
В случае амеб Dictyostelium три условных температурно-чувствительных мутанта , которые влияют на рециркуляцию мембран, блокируют миграцию клеток при ограничительной (более высокой) температуре; [22] [23] [24] они предоставляют дополнительную поддержку важности эндоцитарного цикла в миграции клеток. Кроме того, эти амебы движутся довольно быстро — примерно на одну длину клетки за ~5 минут. Если их считать цилиндрическими (что примерно соответствует действительности при хемотаксисе), это потребовало бы от них рециркулировать эквивалент одной площади поверхности клетки каждые 5 минут, что приблизительно соответствует измерению. [25]
Механистическая основа амебоидной миграции
Адгезивное ползание — не единственный способ миграции, демонстрируемый эукариотическими клетками. Важно отметить, что несколько типов клеток — амебы Dictyostelium , нейтрофилы , метастатические раковые клетки и макрофаги — оказались способны к миграции, независимой от адгезии. Исторически физик Э. М. Перселл предположил (в 1977 году), что в условиях динамики жидкости с низким числом Рейнольдса , которые применяются в клеточном масштабе, обратный поверхностный поток может обеспечить механизм для микроскопических объектов, чтобы плыть вперед. [27] Спустя несколько десятилетий экспериментальное подтверждение этой модели движения клеток было предоставлено, когда было обнаружено (в 2010 году), что амебоидные клетки и нейтрофилы способны хемотаксисировать по направлению к источнику хемоаттрактанта, находясь в изоденсивной среде. [28] Впоследствии с помощью оптогенетики было показано , что клетки, мигрирующие амебоидным образом без адгезии, демонстрируют поток плазматической мембраны к задней части клетки, который может продвигать клетки, оказывая тангенциальные силы на окружающую жидкость. [26] [29] Поляризованный транспорт содержащих мембрану везикул от задней части к передней части клетки помогает поддерживать размер клетки. [26] Поток мембраны назад также наблюдался в клетках Dictyostelium discoideum . [30] Эти наблюдения дают вескую поддержку моделям движения клеток, которые зависят от потока мембраны клеточной поверхности назад (модель B, выше). Было также обнаружено, что миграция надклеточных кластеров поддерживается аналогичным механизмом потока поверхности назад. [31]
Коллективный биомеханический и молекулярный механизм движения клеток
Основываясь на некоторых математических моделях, недавние исследования выдвигают гипотезу о новой биологической модели коллективного биомеханического и молекулярного механизма движения клеток. [32] Предполагается, что микродомены плетут 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 нитей, их распространение и зигзагообразное движение на мембране создают высокосвязанную сеть изогнутых или линейных нитей, ориентированных под широким спектром углов к границе клетки. Также предполагается, 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 активации кальпаинов, вызванной кальцием, и, как следствие, к отслоению очаговых спаек, что завершает цикл.
Полярность в мигрирующих клетках
Мигрирующие клетки имеют полярность — фронт и тыл. Без этого они бы двигались во всех направлениях одновременно, т. е. распространялись. Как эта полярность формулируется на молекулярном уровне внутри клетки, неизвестно. В клетке, которая извивается случайным образом, фронт может легко уступить место, став пассивным, поскольку некоторая другая область или области клетки образуют новый фронт. В клетках с хемотаксисом устойчивость фронта, по-видимому, повышается по мере того, как клетка продвигается к более высокой концентрации стимулирующего химического вещества. С биофизической точки зрения полярность объяснялась с точки зрения градиента заряда внутренней поверхности мембраны между передними областями и задними краями клетки. [33] Эта полярность отражается на молекулярном уровне ограничением определенных молекул определенными областями внутренней поверхности клетки . Таким образом, фосфолипид PIP3 и активированные Ras, Rac и CDC42 находятся в передней части клетки, тогда как Rho GTPase и PTEN находятся в задней части. [34] [35] [36] [37]
Считается, что нитевидные актины и микротрубочки важны для установления и поддержания полярности клетки. [38] Препараты, разрушающие актиновые филаменты, оказывают множественные и сложные эффекты, отражая широкую роль, которую эти филаменты играют во многих клеточных процессах. Возможно, что в рамках локомоторного процесса мембранные везикулы транспортируются вдоль этих филаментов к передней части клетки. В хемотаксирующих клетках повышенная устойчивость миграции к цели может быть результатом повышенной стабильности расположения нитевидных структур внутри клетки и определять ее полярность. В свою очередь, эти нитевидные структуры могут быть расположены внутри клетки в соответствии с тем, как молекулы, такие как PIP3 и PTEN, расположены на внутренней клеточной мембране. И то, где они расположены, в свою очередь, по-видимому, определяется сигналами хемоаттрактанта, поскольку они воздействуют на специфические рецепторы на внешней поверхности клетки.
Хотя микротрубочки известны своим влиянием на миграцию клеток уже много лет, механизм, посредством которого они это делают, остается спорным. На плоской поверхности микротрубочки не нужны для движения, но они необходимы для обеспечения направленности движения клеток и эффективного выдвижения переднего края. [17] [39] При наличии микротрубочки замедляют движение клеток, когда их динамика подавляется лекарственной обработкой или мутациями тубулина. [17]
Обратные задачи в контексте подвижности клеток
Была создана область исследований, называемая обратными задачами в клеточной подвижности. [40] [41] [32]
Этот подход основан на идее, что поведенческие или формовые изменения клетки несут информацию о базовых механизмах, которые генерируют эти изменения. Чтение движения клетки, а именно понимание базовых биофизических и механохимических процессов, имеет первостепенное значение. [42] Математические модели, разработанные в этих работах, определяют некоторые физические характеристики и материальные свойства клеток локально посредством анализа последовательностей изображений живых клеток и используют эту информацию для дальнейших выводов о молекулярных структурах, динамике и процессах внутри клеток, таких как сеть актина, микродомены, хемотаксис, адгезия и ретроградный поток.
^ Mak M, Spill F, Kamm RD, Zaman MH (февраль 2016 г.). «Миграция отдельных клеток в сложных микросредах: механика и динамика сигналов». Журнал биомеханической инженерии . 138 (2): 021004. doi :10.1115/1.4032188. PMC 4844084. PMID 26639083.
^ Swaney K, Huang CH, Devreotes PN (2010). «Эукариотический хемотаксис: сеть сигнальных путей контролирует подвижность, направленное восприятие и полярность». Annual Review of Biophysics . 39 : 265–289. doi :10.1146/annurev.biophys.093008.131228. PMC 4364543. PMID 20192768 .
^ Zhan H, Bhattacharya S, Cai H, Iglesias PA, Huang CH, Devreotes PN (сентябрь 2020 г.). «Возбудимая сигнальная сеть Ras/PI3K/ERK контролирует миграцию и онкогенную трансформацию в эпителиальных клетках». Developmental Cell . 54 (5): 608–623. doi :10.1016/j.devcel.2020.08.001. PMC 7505206 . PMID 32877650.
^ Huber F, Schnauß J, Rönicke S, Rauch P, Müller K, Fütterer C, et al. (Январь 2013). "Emergent difficulty of the cytoskeleton: from single filaments to tissue". Advances in Physics . 62 (1): 1–112. Bibcode :2013AdPhy..62....1H. doi :10.1080/00018732.2013.771509. PMC 3985726 . PMID 24748680. онлайн
^ ab Pebworth MP, Cismas SA, Asuri P (2014). "Новая 2.5D культуральная платформа для исследования роли градиентов жесткости в адгезионно-независимой миграции клеток". PLOS ONE . 9 (10): e110453. Bibcode :2014PLoSO...9k0453P. doi : 10.1371/journal.pone.0110453 . PMC 4195729 . PMID 25310593.
^ Prieto D, Aparicio G, Sotelo-Silveira JR (ноябрь 2017 г.). «Анализ миграции клеток: недорогой лабораторный эксперимент для курсов биологии клеток и развития с использованием кератоцитов из чешуи рыб». Образование в области биохимии и молекулярной биологии . 45 (6): 475–482. doi : 10.1002/bmb.21071 . PMID 28627731.
^ Dormann D, Weijer CJ (август 2006 г.). «Визуализация миграции клеток». The EMBO Journal . 25 (15): 3480–3493. doi :10.1038/sj.emboj.7601227. PMC 1538568. PMID 16900100 .
^ Ши В., Ямада С. (декабрь 2011 г.). «Визуализация живых клеток, экспрессирующих флуоресцентно-меченые белки в трехмерной матрице». Журнал визуализированных экспериментов (58). doi : 10.3791/3589. PMC 3369670. PMID 22215133 .
^ "Что такое миграция клеток?". Cell Migration Gateway . Cell Migration Consortium. Архивировано из оригинала 22 октября 2014 года . Получено 24 марта 2013 года .
^ Abercrombie M, Heaysman JE, Pegrum SM (октябрь 1970 г.). «Перемещение фибробластов в культуре. 3. Перемещения частиц на дорсальной поверхности ведущей пластинки». Experimental Cell Research . 62 (2): 389–398. doi :10.1016/0014-4827(70)90570-7. PMID 5531377.
^ Willard SS, Devreotes PN (сентябрь 2006 г.). «Сигнальные пути, опосредующие хемотаксис у социальной амебы, Dictyostelium discoideum». European Journal of Cell Biology . 85 (9–10): 897–904. doi :10.1016/j.ejcb.2006.06.003. PMID 16962888.
^ Wang YL (август 1985). «Обмен субъединиц актина на переднем крае живых фибробластов: возможная роль тредмиллинга». Журнал клеточной биологии . 101 (2): 597–602. doi :10.1083/jcb.101.2.597. PMC 2113673. PMID 4040521 .
^ Mitchison TJ, Cramer LP (февраль 1996). «Клеточная подвижность и локомоция на основе актина». Cell . 84 (3): 371–379. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81281-7 . PMID 8608590. S2CID 982415.
^ Pollard TD, Бориси GG (февраль 2003 г.). «Клеточная подвижность, обусловленная сборкой и разборкой актиновых филаментов». Cell . 112 (4): 453–465. doi : 10.1016/S0092-8674(03)00120-X . PMID 12600310. S2CID 6887118.
^ Doherty GJ, McMahon HT (2008). «Опосредование, модуляция и последствия мембранно-цитоскелетных взаимодействий». Annual Review of Biophysics . 37 : 65–95. doi :10.1146/annurev.biophys.37.032807.125912. PMID 18573073.
^ Yang H, Ganguly A, Cabral F (октябрь 2010 г.). «Ингибирование миграции клеток и деления клеток коррелирует с различными эффектами препаратов, ингибирующих микротрубочки». Журнал биологической химии . 285 (42): 32242–32250. doi : 10.1074/jbc.M110.160820 . PMC 2952225. PMID 20696757 .
^ abc Ganguly A, Yang H, Sharma R, Patel KD, Cabral F (декабрь 2012 г.). «Роль микротрубочек и их динамика в миграции клеток». Журнал биологической химии . 287 (52): 43359–43369. doi : 10.1074/jbc.M112.423905 . PMC 3527923. PMID 23135278 .
^ Bretscher MS (январь 1983). «Распределение рецепторов трансферрина и липопротеинов низкой плотности на поверхности гигантских клеток HeLa». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 80 (2): 454–458. Bibcode :1983PNAS...80..454B. doi : 10.1073/pnas.80.2.454 . PMC 393396 . PMID 6300844.
^ Hopkins CR, Gibson A, Shipman M, Strickland DK, Trowbridge IS (июнь 1994). «В мигрирующих фибробластах рецепторы рециркуляции концентрируются в узких трубочках в перицентриолярной области, а затем направляются к плазматической мембране ведущей пластинки». Журнал клеточной биологии . 125 (6): 1265–1274. doi : 10.1083 /jcb.125.6.1265. PMC 2290921. PMID 7515888.
^ Bretscher MS (ноябрь 1996 г.). «Заставить мембранный поток и цитоскелет взаимодействовать при перемещении клеток». Cell . 87 (4): 601–606. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81380-X . PMID 8929529. S2CID 14776455.
^ Bretscher MS (февраль 1992 г.). «Циркулирующие интегрины: альфа 5 бета 1, альфа 6 бета 4 и Mac-1, но не альфа 3 бета 1, альфа 4 бета 1 или LFA-1». The EMBO Journal . 11 (2): 405–410. doi :10.1002/j.1460-2075.1992.tb05068.x. PMC 556468 . PMID 1531629.
^ Thompson CR, Bretscher MS (сентябрь 2002 г.). «Клеточная полярность и локомоция, а также эндоцитоз зависят от NSF». Development . 129 (18): 4185–4192. doi :10.1242/dev.129.18.4185. PMID 12183371.
^ Bretscher MS, Clotworthy M (август 2007 г.). «Использование отдельных сайтов loxP для усиления гомологичной рекомбинации: мутанты ts в Sec1 Dictyostelium discoideum». PLOS ONE . 2 (8): e724. Bibcode : 2007PLoSO...2..724B. doi : 10.1371/journal.pone.0000724 . PMC 1933600. PMID 17684569 .
^ Zanchi R, Howard G, Bretscher MS, Kay RR (октябрь 2010 г.). «Экзоцитарный ген secA необходим для подвижности и осморегуляции клеток Dictyostelium». Journal of Cell Science . 123 (Pt 19): 3226–3234. doi :10.1242/jcs.072876. PMC 2939799 . PMID 20807800.
^ Aguado-Velasco C, Bretscher MS (декабрь 1999 г.). «Циркуляция плазматической мембраны у Dictyostelium». Молекулярная биология клетки . 10 (12): 4419–4427. doi :10.1091/mbc.10.12.4419. PMC 25767. PMID 10588667 .
^ abc O'Neill PR, Castillo-Badillo JA, Meshik X, Kalyanaraman V, Melgarejo K, Gautam N (июль 2018 г.). «Мембранный поток управляет режимом миграции амебоидных клеток, независимым от адгезии». Developmental Cell . 46 (1): 9–22.e4. doi :10.1016/j.devcel.2018.05.029. PMC 6048972 . PMID 29937389.
^ Purcell EM (1977). «Жизнь при низком числе Рейнольдса». American Journal of Physics . 45 (3): 3–11. Bibcode :1977AmJPh..45....3P. doi :10.1119/1.10903. hdl : 2433/226838 .
^ Barry NP, Bretscher MS (июнь 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 .
^ Bell GR, Collins SR (июль 2018 г.). ««Rho»ing a Cellular Boat with Rearward Membrane Flow». Developmental Cell . 46 (1): 1–3. doi : 10.1016/j.devcel.2018.06.008 . PMID 29974859.
^ Танака М, Кикучи Т, Уно Х, Окита К, Китаниси-Юмура Т, Юмура С (октябрь 2017 г.). «Обмен и поток клеточной мембраны для миграции клеток». Научные отчеты . 7 (1): 12970. Бибкод : 2017NatSR...712970T. дои : 10.1038/s41598-017-13438-5. ПМК 5636814 . ПМИД 29021607.
^ Shellard A, Szabó A, Trepat X, Mayor R (октябрь 2018 г.). «Супраклеточное сокращение в задней части групп клеток нервного гребня управляет коллективным хемотаксисом». Science . 362 (6412): 339–343. Bibcode :2018Sci...362..339S. doi :10.1126/science.aau3301. PMC 6218007 . PMID 30337409.
^ abc Coskun H, Coskun H (март 2011). «Клеточный врач: чтение движения клеток: математический диагностический метод посредством анализа движения отдельных клеток». Бюллетень математической биологии . 73 (3): 658–682. doi :10.1007/s11538-010-9580-x. PMID 20878250. S2CID 37036941.
^ Banerjee T, Biswas D, Pal DS, Miao Y, Iglesias PA, Devreotes PN (октябрь 2022 г.). «Пространственно-временная динамика заряда поверхности мембраны регулирует полярность и миграцию клеток». Nature Cell Biology . 24 (10): 1499–1515. doi :10.1038/s41556-022-00997-7. PMC 10029748 . PMID 36202973. S2CID 248990694.
^ Parent CA, Devreotes PN (апрель 1999). «Чувство направления клетки». Science . 284 (5415): 765–770. Bibcode :1999Sci...284..765P. doi :10.1126/science.284.5415.765. PMID 10221901.
^ Ridley AJ, Schwartz MA, Burridge K, Firtel RA, Ginsberg MH, Бориси G и др. (декабрь 2003 г.). «Миграция клеток: интеграция сигналов спереди назад». Science . 302 (5651): 1704–1709. Bibcode :2003Sci...302.1704R. doi :10.1126/science.1092053. PMID 14657486. S2CID 16029926.
^ Pal DS, Banerjee T, Lin Y, de Trogoff F, Borleis J, Iglesias PA и др. (Июль 2023 г.). «Активация отдельных нисходящих узлов в сети факторов роста управляет миграцией иммунных клеток». Developmental Cell . 58 (13): 1170–1188.e7. doi :10.1016/j.devcel.2023.04.019. PMC 10524337 . PMID 37220748.
^ Lin Y, Pal DS, Banerjee P, Banerjee T, Qin G, Deng Y и др. (Июль 2024 г.). «Подавление Ras усиливает поляризацию и миграцию клеток, вызванную контрактильностью заднего актомиозина». Nature Cell Biology : 1–15. doi :10.1038/s41556-024-01453-4. PMID 38951708.
^ Ли Р., Гундерсен Г. Г. (ноябрь 2008 г.). «За пределами полимерной полярности: как цитоскелет строит поляризованную клетку». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 9 (11): 860–873. doi :10.1038/nrm2522. PMID 18946475. S2CID 19500145.
^ Meyer AS, Hughes-Alford SK, Kay JE, Castillo A, Wells A, Gertler FB и др. (июнь 2012 г.). «2D-выступание, но не подвижность, предсказывает миграцию раковых клеток, вызванную фактором роста, в 3D-коллагене». The Journal of Cell Biology . 197 (6): 721–729. doi :10.1083/jcb.201201003. PMC 3373410 . PMID 22665521.
^ Coskun H (2006). Математические модели для амебоидной клеточной подвижности и основанные на моделях обратные задачи (диссертация). Университет Айовы – через ProQuest.
^ Coskun H, Li Y, Mackey MA (январь 2007 г.). «Подвижность амебоидных клеток: модель и обратная задача с применением к данным визуализации живых клеток». Журнал теоретической биологии . 244 (2): 169–179. Bibcode : 2007JThBi.244..169C. doi : 10.1016/j.jtbi.2006.07.025. PMID 16997326.
^ 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.; Краткое содержание: «Математики используют «профилирование» клеток для обнаружения аномалий, включая рак». ScienceDaily .
Внешние ссылки
Cell Migration Gateway Cell Migration Gateway — это комплексный и регулярно обновляемый ресурс по миграции клеток.
Цитоскелет и миграция клеток Обзор изображений и видео лабораторий JV Small в Зальцбурге и Вене