В клеточной биологии фокальные спайки (также спайки клетка-матрикс или FA ) представляют собой крупные макромолекулярные сборки , через которые передаются механическая сила и регуляторные сигналы между внеклеточным матриксом (ECM) и взаимодействующей клеткой. Точнее, фокальные спайки представляют собой субклеточные структуры, которые опосредуют регуляторные эффекты (т.е. сигнальные события) клетки в ответ на адгезию ЕСМ. [1]
Фокальные спайки служат механическими связями с ЕСМ и биохимическими сигнальными узлами для концентрации и направления многочисленных сигнальных белков в места связывания и кластеризации интегринов .
Фокальные спайки представляют собой интегриносодержащие мультибелковые структуры, которые образуют механические связи между внутриклеточными пучками актина и внеклеточным субстратом во многих типах клеток. Фокальные спайки представляют собой большие динамические белковые комплексы , посредством которых цитоскелет клетки соединяется с ЕСМ. Они ограничены четко определенными участками клетки, в которых плазматическая мембрана закрывается на расстоянии менее 15 нм от субстрата ЕСМ. [2] Фокальные спайки находятся в состоянии постоянного изменения: белки постоянно связываются и разъединяются с ними, поскольку сигналы передаются в другие части клетки, относящиеся ко всему: от подвижности клеток до клеточного цикла . Фокальные спайки могут содержать более 100 различных белков, что предполагает значительное функциональное разнообразие. [3] Они не только закрепляют клетку, но и действуют как носители сигналов (сенсоры), которые информируют клетку о состоянии ECM и, таким образом, влияют на ее поведение. [4] В сидячих клетках фокальные спайки в норме достаточно стабильны, тогда как в движущихся клетках их стабильность снижена: это связано с тем, что в подвижных клетках фокальные спайки постоянно собираются и разбираются по мере того, как клетка устанавливает новые контакты на переднем крае. , и разрывает старые контакты на задней кромке ячейки. Одним из примеров их важной роли является иммунная система , в которой лейкоциты мигрируют вдоль соединительного эндотелия , следуя клеточным сигналам, к поврежденной биологической ткани .
Связь между фокальными спайками и белками внеклеточного матрикса обычно осуществляется с помощью интегринов . Интегрины связываются с внеклеточными белками посредством коротких аминокислотных последовательностей, таких как мотив RGD (обнаруженный в таких белках, как фибронектин , ламинин или витронектин ) или мотивы DGEA и GFOGER, обнаруженные в коллагене . Интегрины представляют собой гетеродимеры , состоящие из одной бета-субъединицы и одной альфа-субъединицы. Эти субъединицы присутствуют в разных формах, соответствующие им лиганды делят эти рецепторы на четыре группы: рецепторы RGD, рецепторы ламинина, лейкоцит-специфические рецепторы и рецепторы коллагена. Внутри клетки внутриклеточный домен интегрина связывается с цитоскелетом через адаптерные белки, такие как талин , α-актинин , филамин , винкулин и тензин . Многие другие внутриклеточные сигнальные белки, такие как киназа фокальной адгезии , связываются и связываются с этим комплексом интегрин-адаптерный белок-цитоскелет, и это формирует основу фокальной адгезии.
Динамическая сборка и разборка фокальных спаек играет центральную роль в миграции клеток . В ходе миграции клеток изменяются как состав, так и морфология очаговой адгезии. Первоначально на переднем крае клетки ламеллиподий образуются небольшие (0,25 мкм 2 ) фокальные спайки, называемые фокальными комплексами (FX) : они состоят из интегрина и некоторых адаптерных белков, таких как талин , паксиллин и тензин . Многие из этих фокальных комплексов не созревают и разбираются по мере удаления ламеллиподий. Однако некоторые фокальные комплексы созревают в более крупные и стабильные фокальные спайки и рекрутируют гораздо больше белков, таких как зиксин . Рекрутирование компонентов фокальной адгезии происходит упорядоченно, последовательно. [5] Оказавшись на месте, фокальная адгезия остается неподвижной по отношению к внеклеточному матриксу, и клетка использует ее как якорь, на котором она может толкать или тянуть себя к внеклеточному матриксу. По мере того как клетка продвигается по выбранному пути, данная фокальная адгезия приближается все ближе и ближе к заднему краю клетки. На заднем крае клетки фокальная адгезия должна раствориться. Механизм этого плохо изучен и, вероятно, вызывается множеством различных методов в зависимости от обстоятельств в клетке. Одна из возможностей заключается в том, что в этом участвует кальций-зависимая протеаза кальпаин : было показано, что ингибирование кальпаина приводит к ингибированию разделения фокальной адгезии и ВКМ. Компоненты фокальной адгезии входят в число известных субстратов кальпаина, и возможно, что кальпаин разрушает эти компоненты, способствуя разборке фокальной адгезии [6].
Сборка возникающих фокальных спаек сильно зависит от процесса ретроградного тока актина. Это явление в мигрирующей клетке, когда актиновые нити полимеризуются на переднем крае и текут обратно к телу клетки. Это источник тяги, необходимой для миграции; фокальная адгезия действует как молекулярное сцепление, когда она привязывается к внеклеточному матриксу и препятствует ретроградному движению актина, тем самым создавая тянущую (тяговую) силу в месте адгезии, которая необходима клетке для движения вперед. Эту тягу можно визуализировать с помощью микроскопии силы тяги . Распространенной метафорой для объяснения ретроградного течения актина является то, что большое количество людей смывается вниз по течению, и при этом некоторые из них цепляются за камни и ветки вдоль берега, чтобы остановить свое движение вниз по реке. Таким образом, на камень или ветку, за которую они висят, создается тянущая сила. Эти силы необходимы для успешной сборки, роста и созревания фокальных спаек. [7]
Внеклеточные механические силы, действующие через фокальные спайки, могут активировать киназу Src и стимулировать рост спаек. Это указывает на то, что фокальные спайки могут функционировать как механические сенсоры, и предполагает, что сила, генерируемая миозиновыми волокнами, может способствовать созреванию фокальных комплексов. [8] Это подтверждается тем фактом, что ингибирование сил, генерируемых миозином, приводит к медленной разборке фокальных спаек за счет изменения кинетики оборота белков фокальной адгезии. [9]
Однако связь между силами, действующими на фокальные спайки, и их композиционным созреванием остается неясной. Например, предотвращение созревания фокальных спаек путем ингибирования активности миозина или сборки стрессовых волокон не предотвращает силы, поддерживаемые фокальными спайками, а также не предотвращает миграцию клеток. [10] [11] Таким образом, распространение силы через фокальные спайки не может непосредственно восприниматься клетками во всех временных и силовых масштабах.
Их роль в механочувствительности важна для дуротаксиса .