stringtranslate.com

Полярность ячейки

Полярность клетки относится к пространственным различиям в форме, структуре и функциях внутри клетки . Почти все типы клеток обладают той или иной формой полярности, которая позволяет им выполнять специализированные функции. Ниже описаны классические примеры поляризованных клеток, включая эпителиальные клетки с апикально-базальной полярностью, нейроны , в которых сигналы распространяются в одном направлении от дендритов к аксонам , и мигрирующие клетки . Более того, полярность клеток важна во время многих типов асимметричного деления клеток для создания функциональной асимметрии между дочерними клетками.

Многие из ключевых молекулярных игроков, участвующих в клеточной полярности, хорошо консервативны. Например, в клетках многоклеточных животных комплекс PAR-3/PAR-6/aPKC играет фундаментальную роль в полярности клеток. Хотя биохимические детали могут различаться, некоторые основные принципы, такие как отрицательная и/или положительная обратная связь между различными молекулами, являются общими и существенными для многих известных систем полярности. [1]

Поляризованная локализация белка Staufen (белая стрелка) в ооците 9 стадии дрозофилы (Stau:GFP, DAPI).

Примеры поляризованных клеток

Эпителиальные клетки

Эпителиальные клетки прикрепляются друг к другу через плотные соединения , десмосомы и слипчивые соединения , образуя листы клеток, выстилающие поверхность тела животного и внутренние полости (например, пищеварительный тракт и систему кровообращения). Эти клетки имеют апикально-базальную полярность, определяемую апикальной мембраной , обращенной к внешней поверхности тела или просвету внутренних полостей, и базолатеральной мембраной, ориентированной от просвета. Базолатеральная мембрана относится как к латеральной мембране, где межклеточные соединения соединяют соседние клетки, так и к базальной мембране, где клетки прикрепляются к базальной мембране , тонкому листу белков внеклеточного матрикса , который отделяет эпителиальный лист от нижележащих клеток и соединительной ткани . Эпителиальные клетки также демонстрируют плоскую клеточную полярность , при которой специализированные структуры ориентированы в плоскости эпителиального листа. Некоторые примеры полярности плоских клеток включают чешую рыб, ориентированную в одном направлении, а также перья птиц, мех млекопитающих, а также кутикулярные выступы (чувствительные волоски и т. д.) на телах и придатках мух и других насекомых. . [2] Были предложены вычислительные модели для моделирования того, как группа эпителиальных клеток может образовывать различные биологические морфологии. [3]

Нейроны

Нейрон получает сигналы от соседних клеток через разветвленные клеточные расширения, называемые дендритами . Затем нейрон распространяет электрический сигнал вниз по специализированному отростку аксона от базального полюса к синапсу, где высвобождаются нейротрансмиттеры для распространения сигнала к другому нейрону или эффекторной клетке (например, мышце или железе). Таким образом, полярность нейрона облегчает направленный поток информации, необходимый для связи между нейронами и эффекторными клетками. [4]

Мигрирующие клетки

Многие типы клеток, например лейкоциты и фибробласты , способны к миграции, и для того, чтобы эти клетки могли двигаться в одном направлении, они должны иметь определенные переднюю и заднюю часть. В передней части клетки находится передний край, который часто определяется плоским взъерошением клеточной мембраны, называемым ламеллиподием, или тонкими выступами, называемыми филоподиями . Здесь полимеризация актина в направлении миграции позволяет клеткам расширять передний край клетки и прикрепляться к поверхности. [5] В задней части клетки спайки разбираются, и пучки актиновых микрофиламентов , называемые стресс-волокнами , сжимаются и тянут задний край вперед, чтобы не отставать от остальной части клетки. Без этой передне-задней полярности клетки были бы неспособны координировать направленную миграцию. [6]

Почкующиеся дрожжи

Почкующиеся дрожжи Saccharomyces cerevisiae представляют собой модельную систему для биологии эукариот, в которой были выяснены многие фундаментальные элементы развития полярности. Дрожжевые клетки имеют много общих черт полярности клеток с другими организмами, но содержат меньше белковых компонентов. У дрожжей полярность смещена и формируется на унаследованном ориентире, участке белка Rsr1 в случае почкования или участке Rax1 в проекциях спаривания. [7] В отсутствие ориентиров полярности (т.е. у мутантов с делецией гена) клетки могут совершать спонтанное нарушение симметрии , [8] при котором расположение сайта полярности определяется случайным образом. Спонтанная поляризация по-прежнему генерирует только один участок зачатка, что объясняется положительной обратной связью, увеличивающей концентрации белков полярности локально в самом большом участке полярности и одновременно уменьшающей белки полярности глобально за счет их истощения. Главным регулятором полярности у дрожжей является Cdc42 , который является членом эукариотического Ras-гомологичного Rho-семейства ГТФаз и членом суперсемейства малых ГТФаз, которые включают Rop ГТФазы у растений и малые ГТФазы у прокариот. Для формирования сайтов полярности Cdc42 должен присутствовать и быть способным циклировать GTP, процесс, регулируемый его фактором обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF), Cdc24, и его белками, активирующими GTPase (GAP). Локализация Cdc42 дополнительно регулируется очередями клеточного цикла и рядом партнеров по связыванию. [9] Недавнее исследование, направленное на выяснение связи между временем клеточного цикла и накоплением Cdc42 в зачаточном участке, использует оптогенетику для контроля локализации белка с помощью света. [10] Во время спаривания эти места полярности могут перемещаться. Математическое моделирование в сочетании с экспериментами по визуализации предполагает, что перемещение опосредуется актин-управляемой доставкой везикул. [11] [12]

Развитие позвоночных

Тела позвоночных животных асимметричны по трем осям: передне-задней (от головы до хвоста), дорсально-вентральной (от позвоночника к животу) и левой-правой (например, сердце находится на левой стороне тела). Эти полярности возникают внутри развивающегося эмбриона посредством комбинации нескольких процессов: 1) асимметричного деления клеток , при котором две дочерние клетки получают разное количество клеточного материала (например, мРНК, белков), 2) асимметричной локализации специфических белков или РНК внутри клеток ( который часто опосредован цитоскелетом), 3) градиенты концентрации секретируемых белков внутри эмбриона, таких как Wnt , узловые и костные морфогенные белки (BMP), и 4) дифференциальная экспрессия мембранных рецепторов и лигандов, которые вызывают латеральное ингибирование, при котором клетка, экспрессирующая рецептор, принимает одну судьбу, а ее соседи — другую. [13] [14]

Помимо определения асимметричных осей во взрослом организме, полярность клеток также регулирует как индивидуальные, так и коллективные движения клеток во время эмбрионального развития, такие как апикальное сужение , инвагинация и эпиболия . Эти движения имеют решающее значение для формирования эмбриона и создания сложных структур взрослого тела.

Молекулярная основа

Полярность клетки возникает прежде всего за счет локализации специфических белков в определенных участках клеточной мембраны. Эта локализация часто требует как рекрутирования цитоплазматических белков на клеточную мембрану, так и транспорта поляризованных везикул вдоль филаментов цитоскелета для доставки трансмембранных белков из аппарата Гольджи . Многие из молекул, ответственных за регуляцию полярности клеток, консервативны в разных типах клеток и у всех видов многоклеточных животных. Примеры включают комплекс PAR ( Cdc42 , PAR3/ASIP, PAR6, атипичная протеинкиназа C ), [15] [16] комплекс Crumbs (Crb, PALS, PATJ, Lin7) и комплекс Scribble (Scrib, Dlg, Lgl). [17] Эти полярные комплексы локализованы на цитоплазматической стороне клеточной мембраны, асимметрично внутри клеток. Например, в эпителиальных клетках комплексы PAR и Crumbs локализуются вдоль апикальной мембраны, а комплекс Scribble — вдоль латеральной мембраны. [18] Вместе с группой сигнальных молекул, называемых Rho GTPases , эти полярные комплексы могут регулировать транспорт везикул, а также контролировать локализацию цитоплазматических белков, прежде всего, регулируя фосфорилирование фосфолипидов, называемых фосфоинозитидами . Фосфоинозитиды служат местами стыковки белков с клеточной мембраной, и состояние их фосфорилирования определяет, какие белки могут связываться. [19]

Установление полярности

Хотя многие из ключевых белков полярности хорошо консервативны, существуют разные механизмы установления полярности клеток в разных типах клеток. Здесь можно выделить два основных класса: (1) клетки, способные спонтанно поляризоваться, и (2) клетки, которые устанавливают полярность на основе внутренних сигналов или сигналов окружающей среды. [20]

Спонтанное нарушение симметрии можно объяснить усилением стохастических колебаний молекул за счет нелинейной химической кинетики. Математическая основа этого биологического явления была установлена ​​Аланом Тьюрингом в его статье 1953 года « Химическая основа морфогенеза ». [21] Хотя Тьюринг изначально пытался объяснить формирование паттернов в многоклеточной системе, аналогичные механизмы можно применить и к формированию внутриклеточных паттернов. [22] Коротко говоря, если сеть по крайней мере из двух взаимодействующих химических веществ (в данном случае белков) демонстрирует определенные типы кинетики реакций, а также дифференциальную диффузию, стохастические колебания концентрации могут привести к образованию крупномасштабных стабильных структур, таким образом переходя от молекулярного масштаба длины к клеточному или даже тканевому масштабу.

Ярким примером установления полярности второго типа, который опирается на внеклеточные или внутриклеточные сигналы, является зигота C. elegans . Здесь взаимное ингибирование между двумя наборами белков управляет установлением и поддержанием полярности. С одной стороны, PAR-3, PAR-6 и aPKC (называемые передними белками PAR) до нарушения симметрии занимают как плазматическую мембрану, так и цитоплазму. PAR-1, специфический для C. elegans белок PAR-2, содержащий безымянный палец, и LGL-1 (называемые задними белками PAR) присутствуют в основном в цитоплазме. [23] Мужская центросома обеспечивает сигнал, который нарушает изначально однородное мембранное распределение передних PAR, индуцируя кортикальные потоки. Считается, что они направляют передние PAR к одной стороне клетки, позволяя задним PAR связываться с другим полюсом (задним). [24] [25] Передние и задние белки PAR затем сохраняют полярность до цитокинеза, взаимно исключая друг друга из соответствующих областей клеточной мембраны.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Альтшулер, Стивен Дж.; Ангенент, Сигурд Б.; Ван, Яньцинь; Ву, Лани Ф. (август 2008 г.). «О спонтанном возникновении клеточной полярности». Природа . 454 (7206): 886–889. дои : 10.1038/nature07119. ISSN  1476-4687. ПМЦ  2562338 . ПМИД  18704086.
  2. ^ Ву, Джун; Млодзик, Марек А. (29 июня 2009 г.). «Поиски механизма, регулирующего глобальную полярность плоских клеток тканей». Тенденции в клеточной биологии . 19 (7): 295–305. дои : 10.1016/j.tcb.2009.04.003. ПМЦ 3501338 . ПМИД  19560358. 
  3. ^ Ниссен, Сайлас Бойе (2020). Точечные частицы для захвата поляризованных эмбриональных клеток и холодных бассейнов в атмосфере (доктор философии). Институт Нильса Бора, факультет естественных наук Копенгагенского университета.
  4. ^ Расбанд, Мэтью Н. (август 2010 г.). «Начальный сегмент аксона и поддержание полярности нейронов». Обзоры природы Неврология . 11 (8): 552–562. дои : 10.1038/nrn2852. PMID  20631711. S2CID  23996233.
  5. ^ Ридли, Энн Дж.; Шварц, Мартин А.; Берридж, Кейт; Фиртель, Ричард А.; Гинзберг, Марк Х.; Бориси, Гэри; Парсонс, Дж. Томас; Хорвиц, Алан Рик (5 декабря 2003 г.). «Миграция клеток: интеграция сигналов спереди назад». Наука . 302 (5651): 1704–1709. дои : 10.1126/science.1092053. PMID  14657486. S2CID  16029926.
  6. ^ Фридл, Питер; Вольф, Катарина (май 2003 г.). «Инвазия и миграция опухолевых клеток: разнообразие и механизмы бегства». Обзоры природы Рак . 3 (5): 362–374. дои : 10.1038/nrc1075. PMID  12724734. S2CID  5547981.
  7. ^ Васен, Густаво; Дунаевич, Паула; Колман-Лернер, Алехандро (09 мая 2020 г.). «Митотические и специфичные для феромонов сигналы внутренней поляризации мешают восприятию градиента у Saccharomyces cerevisiae». Proc Natl Acad Sci США . 117 (12): 6580–6589. дои : 10.1073/pnas.1912505117 . ПМК 7104260 . ПМИД  32152126. 
  8. ^ Ведлих-Зольднер, Роланд; Ли, Ронг (1 апреля 2003 г.). «Спонтанная поляризация клеток: подрыв детерминизма». Природная клеточная биология . 5 (4): 267–270. дои : 10.1038/ncb0403-267. PMID  12669070. S2CID  12408901.
  9. ^ Ирасоки, Хавьер Э.; Лью, Дэниел Дж. (1 мая 2004 г.). «Установление полярности у дрожжей». Журнал клеточной науки . 117 (11): 2169–2171. дои : 10.1242/jcs.00953. ISSN  1477-9137. ПМИД  15126618.
  10. ^ Витте, Кристен; Стрикленд, Девин; Глотцер, Майкл (6 июля 2017 г.). «Вступление в клеточный цикл запускает переключение между двумя режимами активации Cdc42 во время поляризации дрожжей». электронная жизнь . 6 . дои : 10.7554/eLife.26722 . ISSN  2050-084X. ПМЦ 5536948 . ПМИД  28682236. 
  11. ^ Сэвидж, Наташа С.; Лейтон, Анита Т.; Лью, Дэниел Дж. (15 мая 2012 г.). «Механистическая математическая модель полярности у дрожжей». Молекулярная биология клетки . 23 (10): 1998–2013. doi : 10.1091/mbc.e11-10-0837. ISSN  1059-1524. ПМЦ 3350562 . ПМИД  22438587. 
  12. ^ Гхош, Дебрадж; Лью, Дэниел (01 мая 2020 г.). «Механистическое понимание движения участков полярности, управляемого актином, у дрожжей». Молекулярная биология клетки . 31 (10): 1085–1102. doi : 10.1091/mbc.e20-01-0040. ISSN  1059-1524. ПМЦ 7346724 . ПМИД  32186970. 
  13. ^ Хашимото, Масакадзу; Хамада, Хироши (август 2010 г.). «Перевод передне-задней полярности в лево-правую полярность у эмбриона мыши». Текущее мнение в области генетики и развития . 20 (4): 433–437. дои :10.1016/j.gde.2010.04.002. ПМИД  20439159.
  14. ^ Джонстон, Дэниел Ст; Арингер, Джули (28 мая 2010 г.). «Полярность клеток в яйцах и эпителии: параллели и разнообразие». Клетка . 141 (5): 757–774. дои : 10.1016/j.cell.2010.05.011 . PMID  20510924. S2CID  13897324.
  15. ^ Идзуми Ю, Хиросе Т, Тамаи Ю, Хираи С, Нагасима Ю, Фудзимото Т, Табусе Ю, Кемфуес К.Дж., Оно С (октябрь 1998 г.). «Атипичная PKC напрямую связывается и колокализуется в плотном эпителиальном соединении с ASIP, гомологом полярного белка PAR-3 млекопитающих Caenorhabditis elegans». J Клеточная Биол . 143 (1): 95–106. дои : 10.1083/jcb.143.1.95. ПМК 2132825 . ПМИД  9763423. 
  16. ^ Табусе Ю, Идзуми Ю, Фортепиано Ф, Кемфуес К.Дж., Мива Дж., Оно С. (сентябрь 1998 г.). «Атипичная протеинкиназа C взаимодействует с PAR-3, чтобы установить эмбриональную полярность у Caenorhabditis elegans». Разработка . 125 (18): 3607–3614. дои : 10.1242/dev.125.18.3607. ПМИД  9716526.
  17. ^ Брайант, Дэвид М.; Мостов, Кейт Э. (ноябрь 2008 г.). «От клеток к органам: построение поляризованной ткани». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 9 (11): 887–901. дои : 10.1038/nrm2523. ПМЦ 2921794 . ПМИД  18946477. 
  18. ^ Джонстон, Дэниел Ст; Арингер, Джули (28 мая 2010 г.). «Полярность клеток в яйцах и эпителии: параллели и разнообразие». Клетка . 141 (5): 757–774. дои : 10.1016/j.cell.2010.05.011 . PMID  20510924. S2CID  13897324.
  19. ^ Орландо, Келли; Го, Вэй (ноябрь 2009 г.). «Организация и динамика клеточной полярности». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 1 (5): а001321. doi : 10.1101/cshperspect.a001321. ПМЦ 2773647 . ПМИД  20066116. 
  20. ^ Ведлих-Зольднер, Роланд; Ли, Ронг (1 апреля 2003 г.). «Спонтанная поляризация клеток: подрыв детерминизма». Природная клеточная биология . 5 (4): 267–270. дои : 10.1038/ncb0403-267. PMID  12669070. S2CID  12408901.
  21. ^ Тьюринг, AM; С, Франция (14 августа 1952 г.). «Химические основы морфогенеза». Фил. Пер. Р. Сок. Лонд. Б.​ 237 (641): 37–72. дои : 10.1098/rstb.1952.0012. ISSN  0080-4622.
  22. ^ Гирер, А.; Мейнхардт, Х. (1 декабря 1972 г.). «Теория формирования биологических закономерностей». Кибернетик . 12 (1): 30–39. дои : 10.1007/BF00289234. ISSN  0023-5946. PMID  4663624. S2CID  17746442.
  23. ^ «Асимметричное деление клеток и формирование оси у эмбриона». www.wormbook.org . Проверено 6 апреля 2018 г.
  24. ^ Манро, Эдвин; Нэнси, Джереми; Присс, Джеймс Р. (1 сентября 2004 г.). «Корковые потоки, основанные на асимметричном сокращении, транспортируют белки PAR для установления и поддержания передне-задней полярности в раннем эмбрионе C. elegans». Развивающая клетка . 7 (3): 413–424. дои : 10.1016/j.devcel.2004.08.001 . ISSN  1534-5807. ПМИД  15363415.
  25. ^ Геринг, Натан В.; Тронг, Филипп Хук; Буа, Джастин С.; Чоудхури, Дебанджан; Никола, Эрнесто М.; Хайман, Энтони А.; Гриль, Стефан В. (25 ноября 2011 г.). «Поляризация белков PAR путем адвективного запуска системы формирования паттернов». Наука . 334 (6059): 1137–1141. дои : 10.1126/science.1208619 . hdl : 10261/80314. ISSN  0036-8075. PMID  22021673. S2CID  206535351.