Контактное торможение
В клеточной биологии контактное торможение относится к двум различным, но тесно связанным явлениям: контактному торможению локомоции ( CIL ) и контактному торможению пролиферации ( CIP ). CIL относится к поведению избегания, проявляемому клетками фибробластоподобными при контакте друг с другом. [1] В большинстве случаев, когда две клетки контактируют друг с другом, они пытаются изменить свое движение в другом направлении, чтобы избежать столкновения в будущем. Когда столкновение неизбежно, возникает другое явление, при котором рост клеток самой культуры в конечном итоге прекращается в зависимости от плотности клеток. [2]
Оба типа контактного торможения являются хорошо известными свойствами нормальных клеток и способствуют регуляции правильного роста, дифференцировки и развития тканей. Оба типа регуляции обычно отрицаются и преодолеваются во время органогенеза, эмбрионального развития, а также заживления тканей и ран. Однако контактное ингибирование локомоции и пролиферации аберрантно отсутствует в раковых клетках, и отсутствие этой регуляции способствует онкогенезу . [3]
Механизм
[ редактировать ]Контактное ингибирование — это регуляторный механизм, который поддерживает рост клеток в слой толщиной в одну клетку (монослой). Если у клетки достаточно свободного места в субстрате, она быстро размножается и свободно перемещается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока клетки не займут весь субстрат. В этот момент нормальные клетки перестанут реплицироваться.
Когда подвижные клетки вступают в контакт в конфлюэнтных культурах, они проявляют снижение подвижности и митотической активности. со временем [4] Было показано, что между колониями, контактировавшими в течение многих дней, происходит экспоненциальный рост, а ингибирование митотической активности происходит намного позже. Эта задержка между межклеточным контактом и началом ингибирования пролиферации сокращается по мере того, как культура становится более конфлюэнтной. Таким образом, можно разумно заключить, что межклеточный контакт является важным условием контактного ингибирования пролиферации, но сам по себе недостаточен для митотического ингибирования. Помимо установления контакта с другими клетками, клетки, ингибированные контактом, также должны быть вынуждены уменьшать свою площадь под действием механического стресса и ограничений, налагаемых окружающими клетками. [5] Действительно, было высказано предположение, что механическое напряжение действует как ингибирующий сигнал для митоза. [6] При этом важно отметить, что такое угнетение митотической активности является локальным явлением; это происходит между несколькими избранными клетками в вероятно гетерогенной культуре.
Роль в раке
[ редактировать ]Нетрансформированные клетки человека демонстрируют нормальное клеточное поведение и опосредуют свой рост и пролиферацию посредством взаимодействия между питательными веществами окружающей среды, передачей сигналов факторов роста и плотностью клеток. Когда плотность клеток увеличивается и культура становится конфлюэнтной, они инициируют остановку клеточного цикла и подавляют пути пролиферации и передачи сигналов митогенов независимо от внешних факторов или клеточного метаболизма. [7] Это свойство известно как контактное ингибирование пролиферации и имеет важное значение для правильного развития эмбриона, а также для восстановления, дифференцировки и морфогенеза тканей. Раковые клетки обычно теряют это свойство и, таким образом, делятся и растут друг над другом неконтролируемым образом, даже при контакте с соседними клетками. Это приводит к инвазии окружающих тканей, их метастазированию в близлежащие органы и, в конечном итоге, к онкогенезу. Клетки голых землекопов , вида, у которого никогда не наблюдался рак, проявляют сверхчувствительность к контактному торможению. [8] Это открытие может дать ключ к разгадке устойчивости рака. Более того, недавние исследования выявили некоторые механизмы контактного ингибирования пролиферации и его потенциальное значение в терапии рака.
Более того, было показано, что образование межклеточной адгезии не только ограничивает рост и пролиферацию путем наложения физических ограничений, таких как площадь клетки, но также и путем запуска сигнальных путей, которые подавляют пролиферацию. Одним из таких путей является сигнальный путь Hippo-YAP, который в значительной степени отвечает за ингибирование роста клеток у млекопитающих. Этот путь состоит в основном из каскада фосфорилирования с участием серинкиназ и опосредован регуляторными белками, которые регулируют рост клеток путем связывания с генами, контролирующими рост. [9] Серин/треониновая киназа Hippo (Mst1/Mst2, кодируемая генами STK4 и STK3 соответственно у млекопитающих) активирует вторичную киназу (Lats1/Lats2), которая фосфорилирует YAP, транскрипционный активатор генов роста. Фосфорилирование YAP служит для его экспорта из ядра и предотвращения активации генов, способствующих росту; именно так путь Hippo-YAP подавляет рост клеток. [10] Что еще более важно, путь Hippo-YAP использует вышестоящие элементы для действия в ответ на межклеточный контакт и контролирует зависимое от плотности ингибирование пролиферации. Например, кадгерины представляют собой трансмембранные белки, которые образуют клеточные соединения посредством гомофильного связывания. [11] и, таким образом, действуют как детекторы межклеточного контакта. Кадгерин-опосредованная активация ингибирующего пути включает трансмембранный E-кадгерин, образующий гомофильную связь для активации α- и β-катенина, которые затем стимулируют нижестоящие компоненты пути Hippo-YAP, что в конечном итоге подавляет рост клеток. [12] Это согласуется с данными о том, что сверхэкспрессия E-кадгерина препятствует метастазированию и онкогенезу. [13] Поскольку показано, что YAP связан с передачей сигналов митогенного фактора роста и, следовательно, с пролиферацией клеток, вполне вероятно, что будущие исследования будут сосредоточены на роли пути Hippo-YAP в раковых клетках.
Однако важно отметить, что контактно-ингибированные клетки подвергаются остановке клеточного цикла, но не стареют. Фактически было показано, что контактно-ингибированные клетки возобновляют нормальную пролиферацию и передачу сигналов митогенов после пересадки в менее конфлюэнтную культуру. Таким образом, контактное ингибирование пролиферации можно рассматривать как обратимую форму остановки клеточного цикла. Более того, для перехода от остановки клеточного цикла к старению контактно-ингибированные клетки должны активировать пути активации роста, такие как mTOR. [14] Как только клетки в культурах с высокой плотностью становятся настолько слитными, что площадь клеток падает ниже критического значения, [15] образования адгезии запускают пути, которые подавляют передачу сигналов митогенов и пролиферацию клеток. [16] Таким образом, путь mTOR, способствующий росту, ингибируется, и, следовательно, клетки, ингибированные при контакте, не могут перейти от остановки клеточного цикла к старению. Это имеет решающее значение для терапии рака; даже несмотря на то, что раковые клетки не ингибируются при контакте, сливающиеся культуры раковых клеток все равно подавляют их механизм старения. Таким образом, это может быть правдоподобным объяснением того, почему лекарства, вызывающие старение, неэффективны. [17]
Подвижность клеток
[ редактировать ]В большинстве случаев, когда две клетки сталкиваются, они пытаются двигаться в другом направлении, чтобы избежать столкновений в будущем; такое поведение известно как контактное торможение локомоции. [18] Когда две клетки вступают в контакт, их двигательный процесс парализуется. Это достигается с помощью многоэтапного, многогранного механизма, который включает в себя образование комплекса межклеточной адгезии при столкновении. Считается, что разборка этого комплекса в значительной степени обусловлена напряжением в клетках и в конечном итоге приводит к изменению направления сталкивающихся клеток.
Во-первых, подвижные клетки сталкиваются и соприкасаются посредством своих соответствующих пластинок , актин которых демонстрирует высокий ретроградный поток. Между пластинками образуется клеточная адгезия, снижающая скорость ретроградного потока актинов в области, непосредственно окружающей спайку. Следовательно, скорость и подвижность клеток снижаются. Затем это позволяет актиновым стрессовым волокнам и микротрубочкам формироваться и выравниваться друг с другом у обоих сталкивающихся партнеров. Выравнивание этих напряженных волокон локально накапливает упругое напряжение в пластинках. В конце концов, нарастание напряжения становится слишком большим, и комплекс клеточной адгезии диссоциирует, схлопывает выступы пластинок и освобождает клетки в разных направлениях, пытаясь облегчить эластическое напряжение. Возможным альтернативным событием, которое также приводит к диссоциации сборки, является то, что при выравнивании стрессовых волокон передние края клеток реполяризуются в сторону от смежных ламелей. Это создает значительное упругое напряжение во всех телах клеток, а не только в локальном месте контакта. , а также вызывает разборку адгезионного комплекса. [19] Считалось, что упругое натяжение является основной движущей силой коллапса выпячивания , сложной разборки и дисперсии клеток. [20] Хотя это гипотетическое напряжение было охарактеризовано и визуализировано, [21] то, как напряжение нарастает в пластинках и как реполяризация клеток способствует нарастанию напряжения, остается открытым для исследования.
Более того, поскольку репликация увеличивает количество клеток, количество направлений, в которых эти клетки могут двигаться, не касаясь других, уменьшается. [22] Клетки также будут пытаться отойти от другой клетки, потому что они лучше прилипают к области вокруг них, к структуре, называемой субстратом, чем к другим клеткам. Когда две сталкивающиеся ячейки относятся к разным типам ячеек, одна или обе могут отреагировать на столкновение. [23]
Некоторые иммортализованные клеточные линии , несмотря на способность размножаться бесконечно, все же испытывают контактное ингибирование, хотя, как правило, в меньшей степени, чем нормальные клеточные линии. [24]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Аберкромби, М. (сентябрь 1970 г.). «Контактное ингибирование в культуре тканей». Ин Витро . 6 (2): 128–142. дои : 10.1007/BF02616114 . ПМИД 4943054 . S2CID 11554527 .
- ^ Стокер, МГ (1967). «Зависимое от плотности ингибирование роста клеток в культуре». Природа . 215 (5097): 171–172. Бибкод : 1967Natur.215..171S . дои : 10.1038/215171a0 . ПМИД 6049107 . S2CID 4150783 .
- ^ Ханахан, Д.; Вайнберг, Р. (7 января 2000 г.). «Признаки рака» (PDF) . Клетка . 100 (1): 57–70. дои : 10.1016/s0092-8674(00)81683-9 . ПМИД 10647931 . Проверено 11 ноября 2016 г.
- ^ Визер, Р.Дж.; Оеш, Ф. (август 1986 г.). «Контактное ингибирование роста диплоидных фибробластов человека иммобилизованными гликопротеинами плазматической мембраны» . Журнал клеточной биологии . 103 (2): 361–367. дои : 10.1083/jcb.103.2.361 . ПМК 2113841 . ПМИД 3733871 .
- ^ Нельсон, CM; Чен, CS (март 2002 г.). «Передача сигналов между клетками при прямом контакте увеличивает пролиферацию клеток посредством PI3K-зависимого сигнала» . Письма ФЭБС . 514 (2–3): 238–242. дои : 10.1016/s0014-5793(02)02370-0 . ПМИД 11943158 .
- ^ Шрайман, Б. (июль 2004 г.). «Механическая обратная связь как возможный регулятор роста тканей» . Труды Национальной академии наук . 102 (9): 3318–3323. дои : 10.1073/pnas.0404782102 . ПМК 552900 . ПМИД 15728365 .
- ^ Левин, Э.; Беккер, Ю. (февраль 1965 г.). «Контактное ингибирование, макромолекулярный синтез и полирибосомы в культивируемых диплоидных фибробластах человека» . Труды Национальной академии наук . 53 (2): 350–356. Бибкод : 1965ПНАС...53..350Л . дои : 10.1073/pnas.53.2.350 . ПМК 219519 . ПМИД 14294068 .
- ^ Селуанов Андрей; Хайн, Кристофер; Аспуруа, Хорхе; Фейгенсон, Марина; Боззелла, Майкл; Мао, Чжиюн; Катания, Кеннет К.; Горбунова, Вера (26 октября 2009 г.). «Гиперчувствительность к контактному торможению дает ключ к устойчивости голого землекопа к раку» . Труды Национальной академии наук . 106 (46): 19352–19357. Бибкод : 2009PNAS..10619352S . дои : 10.1073/pnas.0905252106 . ПМК 2780760 . ПМИД 19858485 .
- ^ Ю, Ф.; Гуан, К. (2013). «Путь бегемота: регуляторы и правила» . Гены и развитие . 27 (4): 355–371. дои : 10.1101/gad.210773.112 . ПМЦ 3589553 . ПМИД 23431053 .
- ^ Гумбинер, Б.; Ким, Н. (2014). «Сигнальный путь Hippo-YAP и контактное торможение роста» . Журнал клеточной науки . 127 (4): 709–717. дои : 10.1242/jcs.140103 . ПМЦ 3924201 . ПМИД 24532814 .
- ^ Гумбинер, Б.; Стивенсон, Б. (октябрь 1988 г.). «Роль молекулы клеточной адгезии увоморулина в формировании и поддержании эпителиального соединительного комплекса» . Журнал клеточной биологии . 107 (4): 1575–1587. дои : 10.1083/jcb.107.4.1575 . ПМК 2115263 . ПМИД 3049625 .
- ^ Нам-Гюн, К.; Кох, Э. (июль 2011 г.). «Е-кадгерин опосредует контактное ингибирование пролиферации через компоненты сигнального пути Hippo» . Труды Национальной академии наук . 108 (29): 11930–11935. Бибкод : 2011PNAS..10811930K . дои : 10.1073/pnas.1103345108 . ПМК 3141988 . ПМИД 21730131 .
- ^ Готтарди, К.; Вонг, Э. (май 2001 г.). «Е-кадгерин подавляет клеточную трансформацию путем ингибирования передачи сигналов β-катенина независимым от адгезии способом» . Журнал клеточной биологии . 153 (5): 1049–1060. дои : 10.1083/jcb.153.5.1049 . ПМК 2174337 . ПМИД 11381089 .
- ^ Леонтьева О.; Благосклонный, М. (декабрь 2010 г.). «Агенты, повреждающие ДНК, и р53 не вызывают старения в покоящихся клетках, тогда как последовательная повторная активация mTOR связана с конверсией в старение» . Старение . 2 (12): 924–935. дои : 10.18632/aging.100265 . ПМК 3034181 . ПМИД 21212465 .
- ^ Пулиафито, А.; Хуфнагель, Л. (ноябрь 2011 г.). «Коллективное и одиночное поведение клеток при торможении эпителиального контакта» . Труды Национальной академии наук . 109 (3): 739–744. arXiv : 1112.0465 . дои : 10.1073/pnas.1007809109 . ПМК 3271933 . ПМИД 22228306 .
- ^ Стокер, МГ (1967). «Зависимое от плотности ингибирование роста клеток в культуре». Природа . 215 (5097): 171–172. Бибкод : 1967Natur.215..171S . дои : 10.1038/215171a0 . ПМИД 6049107 . S2CID 4150783 .
- ^ Леонтьева О.; Демиденко З. (июнь 2014 г.). «Контактное ингибирование и высокая плотность клеток дезактивируют мишень пути рапамицина у млекопитающих, тем самым подавляя процесс старения» . Труды Национальной академии наук . 111 (24): 8832–8837. Бибкод : 2014PNAS..111.8832L . дои : 10.1073/pnas.1405723111 . ПМК 4066505 . ПМИД 24889617 .
- ^ Белл, П. (февраль 1978 г.). «Контактное торможение движений в трансформированных и нетрансформированных клетках». Оригинальная серия статей о врожденных дефектах . 14 (2): 177–194. ПМИД 346078 .
- ^ Ройкрофт, А.; Мэр Р. (июль 2015 г.). «Принудительное контактное торможение локомоции» . Тенденции в клеточной биологии . 25 (7): 373–375. дои : 10.1016/j.tcb.2015.05.001 . ПМК 4509518 . ПМИД 25981318 .
- ^ Аберкомби, М.; Хейсман, Дж. (1953). «Наблюдения за социальным поведением клеток в культуре тканей: I. Скорость движения фибробластов сердца цыпленка относительно их взаимных контактов». Клетка . 5 (1): 111–131. дои : 10.1016/0014-4827(53)90098-6 . ПМИД 13083622 .
- ^ Дэвис-младший; Лучичи, А. (апрель 2015 г.). «Межклеточные силы управляют контактным торможением локомоции» . Клетка . 161 (2): 361–363. дои : 10.1016/j.cell.2015.02.015 . ПМЦ 4398973 . ПМИД 25799385 .
- ^ Вайзер, Р.Дж.; Дорис Ренауэр (1985). «Участие гликопротеинов плазматической мембраны в контактно-зависимом ингибировании роста фибробластов человека». Экспериментальные исследования клеток . 158 (2): 493–499. дои : 10.1016/0014-4827(85)90472-0 . ПМИД 3924641 .
- ^ Лэки, Джон М. Словарь клеточной и молекулярной биологии, третье издание . Академическая пресса.
- ^ Аберкромби, М. (27 сентября 1979 г.). «Контактное торможение и злокачественные новообразования». Природа . 281 (5729): 259–262. Бибкод : 1979Natur.281..259A . дои : 10.1038/281259a0 . ПМИД 551275 . S2CID 4322058 .