В клеточной биологии межклеточное распознавание — это способность клетки отличать один тип соседней клетки от другого. [1] Это явление происходит, когда встречаются комплементарные молекулы на противоположных поверхностях клеток. Рецептор на одной клеточной поверхности связывается со своим специфическим лигандом на соседней клетке, инициируя каскад событий, которые регулируют поведение клеток, начиная от простой адгезии до сложной клеточной дифференциации . [2] Как и другие клеточные функции, межклеточное распознавание зависит от пагубных мутаций в генах и белках, участвующих в этом процессе, и подвержено ошибкам. Биологические события, которые разворачиваются из-за межклеточного распознавания, важны для развития животных, микробиомов и медицины человека.
Распознавание клеток происходит, когда две молекулы, ограниченные плазматическими мембранами разных клеток, связываются друг с другом, вызывая реакцию на общение, сотрудничество, транспорт, защиту и/или рост. Вместо того, чтобы вызывать дистальный ответ, как это могут делать секретируемые гормоны, этот тип связывания требует, чтобы клетки с сигнальными молекулами находились в непосредственной близости друг от друга. Эти события можно сгруппировать в две основные категории: внутреннее распознавание и внешнее распознавание . [3] Внутреннее распознавание происходит, когда клетки, являющиеся частью одного организма, ассоциируются. [3] Внешнее распознавание происходит, когда клетка одного организма распознает клетку другого организма, например, когда клетка млекопитающего обнаруживает микроорганизм в организме. [3] Молекулы, которые завершают это связывание, состоят из белков, углеводов и липидов, что приводит к образованию различных гликопротеинов , липопротеинов и гликолипопротеинов. [3] Исследования показывают, что взаимодействия гликан-гликан, наблюдаемые примерно в 200-300 пН, также могут играть роль в распознавании клеток. [4] В частности, сложные углеводы были изучены как чрезвычайно важные для распознавания клеток, особенно когда они распознаются дополнительными углеводами. Для того, чтобы гарантировать надлежащее место связывания путем проверки окружающих областей или обеспечения связи, которая была ранее создана, сложные углеводы и их дополнительные углеводы способны создавать гибкие системы взаимодействия. Эти взаимодействия, хотя и наблюдались как слабые, были изучены на различных испытуемых, включая, но не ограничиваясь, мышиные эмбриональные клетки, эпителиальные клетки роговицы и клетки человеческой эмбриональной карциномы. [4]
Одну из наиболее базовых версий распознавания клеток для адгезии можно наблюдать у губок , самой примитивной группы в животном мире. Губки развиваются путем агрегации отдельных клеток в более крупные кластеры. Благодаря связывающим мембрану белкам и секретируемым ионам отдельные клетки губок способны координировать агрегацию, предотвращая слияние между разными видами или даже разными особями. [5] Это было обнаружено, когда попытки пересадить клетки губок от разных видов или особей одного вида потерпели неудачу, в то время как попытки использовать клетки от одной особи успешно слились. [5] Это, вероятно, связано с различными кадгеринами , кальций-связывающим мембранным белком, экспрессируемым разными видами и особями губок. [5] Кадгерины присутствуют и в более сложных организмах. У эмбрионов мышей E-кадгерин на клеточных мембранах отвечает за адгезию клеток, необходимую для эмбрионального уплотнения. [6]
Когда большой многоклеточный организм получает травму, распознавание клеток часто вовлечено в доставку определенных типов клеток к месту травмы. Типичным примером этого являются клетки, экспрессирующие селектин у животных. Селектин — это рецепторный белок, обнаруженный на мембранах лейкоцитов, тромбоцитов и эндотелиальных клеток, который связывает связанные с мембраной гликаны. [7] В ответ на травму эндотелиальные клетки будут экспрессировать селектин, который связывается с гликанами, присутствующими на поверхности лейкоцитарных клеток. [7] Клетки тромбоцитов, которые участвуют в восстановлении тканей, используют свои селектины для связи с лейкоцитами на пути к эндотелиальным клеткам. [7] Затем лейкоциты используют свои собственные селектины для распознавания потенциальных патогенов в месте травмы. [7] Таким образом, соответствующие клетки доставляются к месту травмы для немедленного восстановления или вторжения микроорганизмов. [7]
Клетки с распознающими способностями иммунной системы включают макрофаги, дендритные клетки, Т-клетки и В-клетки. [8] Распознавание клеток особенно важно во врожденной иммунной системе, которая идентифицирует патогены очень обобщенно. Центральное место в этом процессе занимает связывание рецепторов распознавания образов (PRR) фагоцитов и патоген-ассоциированных молекулярных образцов (PAMP) в патогенных микроорганизмах. [8] Один тип PRR представляет собой группу интегральных мембранных гликопротеинов, называемых толл-подобными рецепторами (TLR), которые могут распознавать определенные липопротеины, пептидогликан, ДНК, богатую CpG, и жгутиковые компоненты в бактериальных клетках, а также гликопротеины и фосфолипиды из простейших паразитов и конидий (грибковых спор). [8] Связывание PAMP с белками TLR обычно приводит к внутреннему каскаду сигналов, включающему ряд фосфорилирований, добавление фосфатной группы и убиквитинирование, добавление небольшого белка, который помечает молекулы для деградации, что в конечном итоге приводит к транскрипции генов, связанных с воспалением. [8] Использование TLR клетками врожденной иммунной системы привело к эволюционной битве между патогенными клетками, вырабатывающими различные PAMP, которые не могут быть распознаны, и иммунными клетками, вырабатывающими новые мембранные белки, которые могут их распознавать. [8]
Одноклеточные организмы могут связываться друг с другом через поверхностные рецепторы для сотрудничества и конкуренции. Это широко наблюдалось у бактерий. Например, бактерии могут прикрепляться друг к другу через связывание белков внешней мембраны TraA и TraB, чтобы облегчить процесс, называемый обменом внешней мембраны (OME), который позволяет бактериальным клеткам обмениваться мембранными липидами, сахарами и токсинами. [9] Распознавание клеток и OME могут быть достигнуты только в том случае, если связываются варианты TraA и TraB из одной и той же группы распознавания. [9] Эти взаимодействия могут генерировать физиологическое разнообразие, необходимое для устойчивости к антибиотикам в бактериальных популяциях. [10] Мембранный белок Escherichia coli ChiA участвует в процессе контактно-зависимого ингибирования (CDI), в котором он связывается с рецепторами на конкурирующих штаммах E.coli и выделяет токсин, который предотвращает рост этих штаммов, в то время как ингибирующая клетка и члены этого штамма защищены. [9] Бактерия Proteus mirabilis использует белок T6SS для инициирования роения и уничтожения других бактериальных колоний при распознавании, либо путем высвобождения токсинов, либо путем высвобождения сигнальных белков в другие клетки P. mirabilis . [9] Связывание бактериальных поверхностных рецепторов для адгезии также было вовлечено в образование биопленок. [9]
Эритроциты содержат антигены в своих плазматических мембранах, которые отличают их как часть определенной категории клеток крови. Эти антигены могут быть полисахаридами, гликопротеинами или GPI (гликолипид)-связанными белками. [11] Антигены различаются по сложности: от небольших молекул, связанных с внеклеточной стороной фосфолипидного бислоя, до крупных мембранных белков, которые многократно обвивают обе стороны мембраны. [11] Более мелкие полисахаридные антигены классифицируют клетки крови на типы A, B, AB и O, в то время как более крупные белковые антигены классифицируют клетки крови на типы Rh D-положительные и Rh D-отрицательные. [11] Хотя биологическая роль правильной группы крови неясна и может быть рудиментарной, последствия неправильной группы крови, как известно, серьезны. [11] Те же самые клетки, которые распознают PAMP на микробных патогенах, могут связываться с антигеном чужеродной клетки крови и распознавать ее как патоген, потому что антиген незнаком. [11] Нелегко классифицировать распознавание эритроцитов как внутреннее или внешнее, поскольку чужеродная клетка может быть распознана как часть организма, если у нее есть правильные антигены.
Мутации в белках рецепторов млекопитающих могут вызывать нарушения в распознавании клеток, увеличивая индивидуальную восприимчивость к определенным патогенам и хроническим состояниям. Когда мутации происходят в генах, кодирующих TLR, белки могут потерять способность связываться с полисахаридами, липидами или белками на клеточной стенке или мембране одноклеточных патогенов, что приводит к неспособности врожденной иммунной системы реагировать на инфекцию, что позволяет заболеванию быстро развиваться. В частности, мутации в генах TLR2 и TLR4 часто связаны с повышенной восприимчивостью к патогенам. [12] Мутация треонина на цистеин в гене TRL2 связана с неспособностью распознавать Mycobacterium tuberculosis, возбудителя туберкулезного менингита. [13] Та же мутация, T597C, позже наблюдалась последовательно с неспособностью распознавать Mycobacterium leprae , возбудителя проказы. [14] Мутация аргинина в глутамин в TRL2, Arg753Gln, была связана с увеличением инфекций мочевыводящих путей у детей, вызванных грамположительными бактериями. [15] Множественные мутации в TLR4, Asp299Gly и Thr399Ile, были связаны с восприимчивостью к бактериальным патогенам, вызывающим пародонтит. [16] Связь мутаций TLR с болезнью Крона также была исследована, но не дала убедительных доказательств. [17] Общей характеристикой этих миссенс-мутаций является то, что заменяемые аминокислотные остатки имеют заметно отличающиеся свойства боковой цепи, что, вероятно, способствует дефектной функции белка TLR.