stringtranslate.com

Книдоцит

Микрофотография Номарски окрашенной рутениевым красным нематоцисты из Aiptasia pallida , бледной актинии. Красный краситель окрашивает полианионные белки яда, обнаруженные внутри капсулы этой частично разряженной нематоцисты.

Книдоцит (также известный как книдобласт ) — это взрывоопасная клетка , содержащая одну большую секреторную органеллу, называемую книдоцистой (также известную как книда ( мн. ч .: cnidae )), которая может ужалить другие организмы. Наличие этой клетки определяет тип Cnidaria ( кораллы , актинии , гидры , медузы и т. д.). Cnidae используются для захвата добычи и защиты от хищников. Книдоцит запускает структуру, которая содержит токсин внутри книдоцисты; это отвечает за укусы, наносимые книдариями. Книдоциты — это одноразовые клетки, которые необходимо постоянно заменять.

Структура и функции

Каждый книдоцит содержит органеллу, называемую книдой, книдоцистой, нематоцистой, птихоцистой или спироцистой. Эта органелла состоит из капсулы в форме луковицы, содержащей прикрепленную к ней спиральную полую трубчатую структуру. Незрелый книдоцит называется книдобластом или нематобластом. Наружная сторона клетки имеет похожий на волос триггер, называемый книдоцилом, который является механо- и хеморецептором. Когда триггер активируется, трубчатый стержень книдоцисты выбрасывается, и в случае пенетрантной нематоцисты с силой выброшенная трубочка проникает в целевой организм. Этот выброс занимает несколько микросекунд и способен достигать ускорений около 40 000  g . [1] [2] Исследования 2006 года показывают, что процесс происходит всего за 700 наносекунд, достигая таким образом ускорения до 5 410 000  g . [3] После проникновения токсичное содержимое нематоцисты впрыскивается в целевой организм, позволяя сидячему книдарию захватить обездвиженную добычу. Недавно у двух видов актиний ( Nematostella vectensis и Anthopleura elegantissima ) было показано, что нейротоксиновый белок I типа Nv1 локализуется в эктодермальных железистых клетках щупалец, рядом с нематоцитами, но не в них. При столкновении с добычей-ракообразным нематоциты высвобождаются и прокалывают добычу, а Nv1 массово секретируется во внеклеточную среду близлежащими железистыми клетками, что предполагает другой способ проникновения токсинов. [4]

Состав капсулы книдоцита

Капсула книдоцита состоит из новых генных продуктов, специфичных для книдарий, которые объединяют известные белковые домены. Генные продукты миниколлагена (белки) являются одним из основных структурных компонентов капсулы. Это очень короткие гены, содержащие характерную последовательность тройной спирали коллагена, а также домены полипролина и богатые цистеином домены. [5] Тримеры белков миниколлагена собираются через свой терминальный богатый цистеином домен, образуя высокоорганизованные и жесткие супраструктуры. Полимеры миниколлагена 1 Ncol-1 собираются на внутренней оболочке, в то время как внешняя капсула состоит из полимеризованных белков NOWA (антиген внешней стенки нематоцисты). Нематогалектин, миниколлаген Ncol-15 и хондроитин являются новыми белками, используемыми для построения стержня канальца. В прокалывающих книдоцитах новый белок спиналин используется для создания шипов, присутствующих у основания стержня. [6] [7] [8]

Механизм сброса

Механизм разряда нематоцисты

Капсула книдоцисты хранит большую концентрацию ионов кальция , которые высвобождаются из капсулы в цитоплазму книдоцита при активации триггера. Это вызывает большой градиент концентрации кальция через плазматическую мембрану книдоцита. Результирующее осмотическое давление вызывает быстрый приток воды в клетку. Это увеличение объема воды в цитоплазме заставляет спиральную трубочку книд быстро выталкиваться. Перед выбросом спиральная трубочка книд существует внутри клетки в состоянии «изнутри наружу». Обратное давление, возникающее в результате притока воды в книдоцит вместе с открытием структуры кончика капсулы или крышечки, вызывает сильное выворачивание трубочки книд, заставляя ее выпрямляться, когда она вырывается из клетки с достаточной силой, чтобы пронзить организм-жертву.

Эта сила должна быть рассчитана как масса стилета механизма, умноженная на его ускорение. Давление, которое создается этим ударом в его жертву, должно быть рассчитано как сила стилета, деленная на его площадь. Исследователи вычислили выброшенную массу в 1 нанограмм, ускорение в 5 410 000 г и радиус кончика стилета в 15 ± 8 нм. [3] Таким образом, давление более 7  ГПа было оценено на кончике стилета, который, как они пишут, находится в диапазоне технических пуль. [3]

Динамика жидкости в разряде нематоцисты

Параметры модели динамики вычислительной жидкости при разряде нематоцисты

В нескольких работах моделировался разряд, помимо прямого наблюдения. В наблюдательных исследованиях обычно использовался анализ раствора щупалец с химическим стимулятором для создания разряда и камеры для его записи. Один в 1984 году [1] , а другой в 2006 году [3] по мере совершенствования технологии визуализации. Одно исследование включало вычислительную гидродинамику , где манипулировались такими переменными, как размер пластины бородки, диаметр цилиндра добычи и число Рейнольдса жидкой среды. [9]

Наблюдательные исследования показывают, что скорости шипа/стилета уменьшаются на протяжении разряда. Таким образом, невероятное максимальное ускорение достигается в начале. Динамические характеристики, такие как максимальные скорости разряда и траектории, могут не соответствовать статическим характеристикам, таким как длина трубочек и объем капсул. [10] Поэтому следует проявлять осторожность при использовании скоплений нематоцист медуз в качестве индикаторов выбора добычи и трофической роли. [10] Это, возможно, относится и к другим видам желеобразных, и, следовательно, нельзя в целом выводить статические характеристики нематоцист из размера добычи.

Обнаружение добычи

Cnidae являются клетками «одноразового использования», и, таким образом, представляют собой большой расход энергии для производства. У гидрозоев , чтобы регулировать разряд, книдоциты соединены как «батареи», содержащие несколько типов книдоцитов, соединенных с поддерживающими клетками и нейронами. Поддерживающие клетки содержат хемосенсоры , которые вместе с механорецептором на книдоците (книдоцилом) позволяют только правильной комбинации стимулов вызывать разряд, например, плавание добычи и химические вещества, обнаруженные в кутикуле добычи или кожной ткани. Это не позволяет книдариям жалить себя, хотя отшелушенные книды могут быть вызваны для самостоятельной стрельбы.

Типы книд

У разных книдарий обнаружено более 30 видов книд. Их можно разделить на следующие группы:

  1. Нематоциста (проникающая или колющая [11] ): Проникающая или стенотеле является самой большой и сложной нематоцистой. При разряде она прокалывает кожу или хитиновый экзоскелет добычи и впрыскивает ядовитую жидкость, гипнотоксин, который либо парализует жертву, либо убивает ее.
  2. Птихоцисты (клейкие или адгезивные [11] ): липкая поверхность, используемая для прилипания к добыче, называемая птихоцистами и обнаруженная на роющих (трубчатых) анемонах, которая помогает создать трубку, в которой живет животное.
  3. Спироцисты (вольвента или энснаринга [11] ): вольвента или десмонема — это небольшой грушевидный книдоцит. Он содержит короткую, толстую, беспозвоночную, гладкую и эластичную нитевидную трубку, образующую одну петлю и закрытую на дальнем конце. При разряде она плотно обвивается вокруг добычи. Это самые маленькие книдоциты. Лассоподобная нить выстреливается в добычу и обвивается вокруг клеточного выступа на добыче, который называется спироцистой.

Подтипы книдоцитов могут быть по-разному локализованы в организме животного. У актинии Nematostella vectensis большинство ее непроникающих липких книдоцитов, спироцитов, находятся в щупальцах и, как полагают, помогают захватывать добычу, прилипая к ней. Напротив, два проникающих типа книдоцитов, присутствующих у этого вида, демонстрируют гораздо более широкую локализацию на внешнем эпителиальном слое щупалец и столба тела, а также на эпителии глотки и внутри брыжейки . [12]

Разнообразие типов книдоцитов коррелирует с расширением и диверсификацией структурных генов книдоцист, таких как гены миниколлагена. [13] Гены миниколлагена образуют компактные кластеры генов в геномах книдарий , что предполагает диверсификацию посредством дупликации генов и субфункционализации. Anthozoa демонстрируют меньшее разнообразие капсул и уменьшенное количество генов миниколлагена, а медузозойи имеют большее разнообразие капсул (около 25 типов) и значительно расширенный репертуар генов миниколлагена. [13] У морского анемона Nematostella vectensis некоторые миниколлагены демонстрируют дифференциальный паттерн экспрессии в разных подтипах книдоцитов. [12] [14]

Развитие книдоцитов

Книдоциты — это одноразовые клетки, которые необходимо постоянно заменять на протяжении всей жизни животного, причем у разных видов этот процесс протекает по-разному.

Способы обновления

Обзор развития 4 различных типов капсул полипов гидры

В полипах гидры книдоциты дифференцируются из определенной популяции стволовых клеток , интерстициальных клеток (I-клеток), расположенных внутри колонны тела. Развивающиеся нематоциты сначала проходят несколько раундов митоза без цитокинеза , давая начало гнездам нематобластов с 8, 16, 32 или 64 клетками. После этой фазы расширения нематобласты развивают свои капсулы. Гнезда разделяются на отдельные нематоциты, когда формирование капсулы завершено. [5] Большинство из них мигрируют в щупальца, где они включаются в клетки батареи, которые содержат несколько нематоцитов и нейронов . Клетки батареи координируют активацию нематоцитов.

У гидроидной медузы Clytia hemisphaerica нематогенез происходит в основании щупалец, а также в рукоятке . У основания щупалец нематобласты размножаются, а затем дифференцируются по проксимально-дистальному градиенту , давая начало зрелым нематоцитам в щупальцах через систему конвейерной ленты. [15]

У актинии Anthozoan Nematostella vectensis нематоциты, как полагают, развиваются по всему животному из эпителиальных предшественников. [16] Кроме того, один регуляторный ген, который кодирует фактор транскрипции ZNF845, также называемый CnZNF1, способствует развитию книдоцита и подавляет развитие нейронной клетки, продуцирующей RF-амид. [17] Этот ген развился у стволовых книдарий путем перетасовки доменов. [17]

Созревание книдоцисты

Нематоциста формируется посредством многоступенчатого процесса сборки из гигантской пост-Гольджи вакуоли. Везикулы из аппарата Гольджи сначала сливаются в первичную везикулу: зачаток капсулы. Последующее слияние везикул обеспечивает образование трубочки снаружи капсулы, которая затем инвагинирует в капсулу. Затем ранняя фаза созревания обеспечивает образование длинных массивов зазубренных шипов на инвагинированной трубочке посредством конденсации белков спиналина. Наконец, поздняя стадия созревания приводит к образованию неразряженных капсул под высоким осмотическим давлением посредством синтеза поли-γ-глутамата в матрице капсулы. Это захваченное осмотическое давление обеспечивает быстрый разряд нити при запуске посредством массивного осмотического шока. [8]

Токсичность нематоцист

Нематоцисты Chironex fleckeri (увеличение 400x)

Нематоцисты являются очень эффективным оружием. Было показано, что одной нематоцисты достаточно, чтобы парализовать небольшое членистоногое ( личинка дрозофилы ). Самые смертоносные книдоциты (по крайней мере, для человека) находятся на теле кубомедузы . [ 18] [19] [20] Один из представителей этого семейства, морская оса, Chironex fleckeri , «утверждается как самое ядовитое из известных морских животных», согласно Австралийскому институту морских наук . Она может причинять людям мучительную боль, иногда приводящую к смерти. Другие книдарии, такие как медуза Cyanea capillataЛьвиная грива », прославившаяся благодаря Шерлоку Холмсу ) или сифонофор Physalia physalis ( португальский кораблик , «Голубая муха»), могут вызывать чрезвычайно болезненные и иногда смертельные укусы. С другой стороны, агрегация актиний может иметь самую низкую интенсивность жала, возможно, из-за неспособности нематоцист проникать через кожу, создавая ощущение, похожее на прикосновение к липким конфетам. Помимо питания и защиты, актинии и колонии кораллов используют книдоциты, чтобы жалить друг друга, чтобы защитить или выиграть пространство. [21] Несмотря на их эффективность во взаимодействиях жертва-хищник, существует эволюционный компромисс, поскольку известно, что системы яда книдарий снижают репродуктивную пригодность и общий рост книдарий. [22]

Яд таких животных, как книдарии, скорпионы и пауки, может быть видоспецифичным. Вещество, которое слабо токсично для людей или других млекопитающих, может быть сильно токсичным для естественной добычи или хищников ядовитого животного. Такая специфичность использовалась для создания новых лекарств и биоинсектицидов, а также биопестицидов .

Животные типа Ctenophora («морские крыжовники» или «гребневики») прозрачны и похожи на желе, но не имеют нематоцист и безвредны для человека.

Известно, что некоторые виды морских слизней, такие как голожаберные моллюски, подвержены клептокниде (в дополнение к клептопластике ), при которой организмы хранят нематоцисты переваренной добычи на кончиках своих церат.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Holstein T.; Tardent P. (1984). "Сверхскоростной анализ экзоцитоза: разряд нематоцист". Science . 223 (4638): 830–833. Bibcode :1984Sci...223..830H. doi :10.1126/science.6695186. PMID  6695186.
  2. ^ Касс-Саймон Г.; Скаппатикчи А.А. младший (2002). "Поведенческая и физиология развития нематоцист" (PDF) . Канадский журнал зоологии . 80 (10): 1772–1794. doi :10.1139/Z02-135 . Получено 25.10.2012 .
  3. ^ abcd Нухтер Тимм; Бенуа Мартен; Энгель Ульрике; Озбек Суат; Гольштейн Томас В. (2006). «Кинетика выделения нематоцист в наносекундном масштабе». Современная биология . 16 (9): Р316–Р318. дои : 10.1016/j.cub.2006.03.089 . ПМИД  16682335.
  4. ^ Моран, Йеху; Генихович, Григорий; Гордон, Далия; Винкоп, Стефани; Ценкерт, Клаудия; Озбек, Суат; Текнау, Ульрих; Гуревиц, Михаэль (2012-04-07). «Локализация нейротоксина в клетках эктодермальных желез раскрывает альтернативный механизм доставки яда у морских анемон». Труды. Биологические науки . 279 (1732): 1351–1358. doi :10.1098/rspb.2011.1731. ISSN  1471-2954. PMC 3282367. PMID 22048953  . 
  5. ^ ab Бекманн, Анна; Озбек, Суат (2012-06-05). «Нематоциста: молекулярная карта стрекательной органеллы книдарий». Международный журнал биологии развития . 56 (6–7–8): 577–582. doi : 10.1387/ijdb.113472ab . ISSN  0214-6282. PMID  22689365.
  6. ^ Шпирер, Эрез; Чанг, Э. Салли; Диамант, Арик; Рубинштейн, Нимрод; Картрайт, Полин; Хучон, Дороти (29.09.2014). «Разнообразие и эволюция миниколлагенов и нематогалектинов миксозой». BMC Evolutionary Biology . 14 (1): 205. Bibcode : 2014BMCEE..14..205S. doi : 10.1186/s12862-014-0205-0 . ISSN  1471-2148. PMC 4195985. PMID 25262812  . 
  7. ^ Баласубраманян, Пракаш Г.; Бекманн, Анна; Варнкен, Уве; Шнёльцер, Мартина; Шюлер, Андреас; Борнберг-Бауэр, Эрих; Хольштейн, Томас В.; Озбек, Суат (23.03.2012). «Протеом нематоцисты гидры». Журнал биологической химии . 287 (13): 9672–9681. doi : 10.1074/jbc.M111.328203 . ISSN  0021-9258. PMC 3323026. PMID 22291027  . 
  8. ^ ab Дэвид, Чарльз Н.; Озбек, Суат; Адамчик, Патриция; Мейер, Себастьян; Паули, Барбара; Чапман, Джаррод; Хванг, Юнг Шан; Годжобори, Такаши; Хольштейн, Томас В. (2008-09-01). "Эволюция сложных структур: миниколлагены формируют нематоцисту книдарий". Trends in Genetics . 24 (9): 431–438. doi :10.1016/j.tig.2008.07.001. ISSN  0168-9525. PMID  18676050.
  9. ^ Гамлет, Кристина; Стрыхальски, Ванда; Миллер, Лора (март 2020 г.). «Гидродинамика баллистических стратегий при стрельбе нематоцистами». Fluids . 5 (1): 20. Bibcode :2020Fluid...5...20H. doi : 10.3390/fluids5010020 . ISSN  2311-5521.
  10. ^ аб Колин, Шон П.; Костелло, Джон Х. (23 ноября 2007 г.). «Функциональная характеристика нематоцист, обнаруженных на сцифомедузе Cyanea capillata». Журнал экспериментальной морской биологии и экологии . 351 (1): 114–120. doi :10.1016/j.jembe.2007.06.033. ISSN  0022-0981. S2CID  51791589.
  11. ^ abc Babonis, Leslie S.; Enjolras, Camille; Reft, Abigail J.; Foster, Brent M.; Hugosson, Fredrik; Ryan, Joseph F.; Daly, Marymegan; Martindale, Mark Q. (2023-02-16). «Атавизм одной клетки раскрывает древний механизм диверсификации типов клеток у актинии». Nature Communications . 14 (1): 885. Bibcode :2023NatCo..14..885B. doi :10.1038/s41467-023-36615-9. ISSN  2041-1723. PMC 9935875 . PMID  36797294. 
  12. ^ ab Zenkert, Claudia; Takahashi, Toshio; Diesner, Mark-Oliver; Özbek, Suat (28.07.2011). "Морфологический и молекулярный анализ Nematostella vectensis Cnidom". PLOS ONE . 6 (7): e22725. Bibcode : 2011PLoSO...622725Z. doi : 10.1371/journal.pone.0022725 . ISSN  1932-6203. PMC 3145756. PMID 21829492  . 
  13. ^ аб Халтурин, Константин; Синдзато, Чуя; Халтурина, Мария; Хамада, Маюко; Фудзи, Манабу; Коянаги, Ре; Канда, Миюки; Гото, Хироки; Антон-Эркслебен, Фридерике; Тоёкава, Масая; Тошино, Шо (май 2019 г.). «Геномы медузозойных животных определяют эволюцию строения тела медуз». Экология и эволюция природы . 3 (5): 811–822. Бибкод : 2019NatEE...3..811K. дои : 10.1038/s41559-019-0853-y . ISSN  2397-334Х. ПМИД  30988488.
  14. ^ Себе-Педрос, Арнау; Содемон, Батист; Хомский, Элад; Плессье, Флора; Майе, Мари-Пьер; Ренно, Жюстин; Ло-Ми, Янн; Лифшиц, Авиезер; Мукамель, Зоар; Шмутц, Сандрин; Ново, Софи (31 мая 2018 г.). «Разнообразие и регуляция типов клеток книдарий, выявленные с помощью секвенирования одноклеточной РНК всего организма». Клетка . 173 (6): 1520–1534.e20. дои : 10.1016/j.cell.2018.05.019 . ISSN  1097-4172. ПМИД  29856957.
  15. ^ Денкер, Эльза; Мануэль, Микаэль; Леклер, Люка; Ле Гайадер, Эрве; Рабе, Николя (2008-03-01). «Упорядоченная прогрессия нематогенеза из стволовых клеток через стадии дифференциации в щупальцевой луковице Clytia hemisphaerica (Hydrozoa, Cnidaria)». Developmental Biology . 315 (1): 99–113. doi :10.1016/j.ydbio.2007.12.023. ISSN  1095-564X. PMID  18234172.
  16. ^ Бабонис, Лесли С.; Мартиндейл, Марк К. (2017-09-04). «PaxA, но не PaxC, требуется для развития книдоцитов у актинии Nematostella vectensis». EvoDevo . 8 : 14. doi : 10.1186/s13227-017-0077-7 . ISSN  2041-9139. PMC 5584322 . PMID  28878874. 
  17. ^ ab Бабонис, Лесли С.; Анжольрас, Камилла; Райан, Джозеф Ф.; Мартиндейл, Марк К. (2022-05-10). «Новый регуляторный ген способствует новой судьбе клеток, подавляя судьбу предков у актинии Nematostella vectensis». Труды Национальной академии наук . 119 (19). Bibcode : 2022PNAS..11913701B. doi : 10.1073/pnas.2113701119 . ISSN  0027-8424. PMC 9172639. PMID 35500123  . 
  18. ^ Tibballs J (декабрь 2006 г.). «Австралийская ядовитая медуза, синдромы отравления, токсины и терапия». Toxicon . 48 (7): 830–59. doi :10.1016/j.toxicon.2006.07.020. PMID  16928389.
  19. ^ Бринкман Д., Бернелл Дж. (ноябрь 2007 г.). «Идентификация, клонирование и секвенирование двух основных белков яда кубомедузы Chironex fleckeri». Toxicon . 50 (6): 850–60. doi :10.1016/j.toxicon.2007.06.016. PMID  17688901.
  20. ^ Бринкман Д., Бернелл Дж. (апрель 2008 г.). «Частичная очистка цитолитических белков яда кубомедузы Chironex fleckeri». Toxicon . 51 (5): 853–63. doi :10.1016/j.toxicon.2007.12.017. PMID  18243272.
  21. ^ "YouTube". www.youtube.com . Архивировано из оригинала 2014-06-09 . Получено 6 апреля 2018 .
  22. ^ Surm, Joachim M.; Birch, Sydney; Macrander, Jason; Jaimes-Becerra, Adrian; Fridrich, Arie; Aharoni, Reuven; Rozenblat, Rotem; Sharabany, Julia; Appelbaum, Lior (2023-07-26). Обмен ядом формирует межвидовые взаимодействия, физиологию и воспроизводство (Отчет). Эволюционная биология. doi :10.1101/2023.07.24.550294.

Внешние ссылки