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]
Примеры поляризованных клеток
[ редактировать ]Эпителиальные клетки
[ редактировать ]Эпителиальные клетки прикрепляются друг к другу через плотные соединения , десмосомы и слипчивые соединения , образуя листы клеток, которые выстилают 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
[ редактировать ]Нейрон получает сигналы от соседних клеток через разветвленные клеточные расширения, называемые дендритами . Затем нейрон распространяет электрический сигнал 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
[ редактировать ], способны к миграции Многие типы клеток, такие как лейкоциты и фибробласты , 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] [7] [8]
Почкующиеся дрожжи
[ редактировать ]Почкующиеся дрожжи Saccharomyces cerevisiae — модельная система 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. [9] В отсутствие ориентиров полярности (например, у мутантов с делецией гена) клетки могут спонтанно нарушать симметрию . [10] в котором расположение места 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. [11] 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. [12] Во время спаривания эти места полярности могут перемещаться. Математическое моделирование в сочетании с экспериментами по визуализации предполагает, что перемещение опосредуется актин-управляемой доставкой везикул. [13] [14]
Развитие позвоночных
[ редактировать ]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. [15] [16]
Помимо определения асимметричных осей во взрослом организме, клеточная полярность 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
[ редактировать ]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 ), [17] [18] Комплекс Crumbs (Crb, PALS, PATJ, Lin7) и комплекс Scribble (Scrib, Dlg, Lgl). [19] Эти комплексы полярности 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. [20] Вместе с группой сигнальных молекул, называемых Rho GTPases , эти полярные комплексы могут регулировать транспорт везикул, а также контролировать локализацию цитоплазматических белков, главным образом, путем регулирования фосфорилирования фосфолипидов, называемых фосфоинозитидами . Фосфоинозитиды служат местами стыковки белков с клеточной мембраной, и состояние их фосфорилирования определяет, какие белки могут связываться. [21]
Установление полярности
[ редактировать ]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. [22]
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 ». [23] Хотя Тьюринг изначально пытался объяснить формирование паттернов в многоклеточной системе, аналогичные механизмы можно применить и к формированию внутриклеточных паттернов. [24] Коротко говоря, если сеть, состоящая по крайней мере из двух взаимодействующих химических веществ (в данном случае белков), демонстрирует определенные типы кинетики реакций, а также дифференциальную диффузию, стохастические флуктуации концентрации могут привести к образованию крупномасштабных стабильных структур, таким образом соединяя от молекулярной шкалы длины до клеточного или даже тканевого масштаба.
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. [25] 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). [26] [27] Передние и задние белки PAR затем сохраняют полярность до цитокинеза, взаимно исключая друг друга из соответствующих областей клеточной мембраны.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Альтшулер, Стивен Дж.; Ангенент, Сигурд Б.; Ван, Яньцинь; Ву, Лани Ф. (август 2008 г.). «О спонтанном возникновении клеточной полярности» . Природа . 454 (7206): 886–889. Бибкод : 2008Natur.454..886A . дои : 10.1038/nature07119 . ISSN 1476-4687 . ПМЦ 2562338 . ПМИД 18704086 .
- ^ Ву, Цзюнь; Млодзик, Марек А. (29 июня 2009 г.). «Поиски механизма, регулирующего глобальную планарную клеточную полярность тканей» . Тенденции в клеточной биологии . 19 (7): 295–305. дои : 10.1016/j.tcb.2009.04.003 . ПМЦ 3501338 . ПМИД 19560358 .
- ^ 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.
- ^ Расбанд, Мэтью Н. (август 2010 г.). «Начальный сегмент аксона и поддержание полярности нейронов». Обзоры природы Неврология . 11 (8): 552–562. дои : 10.1038/nrn2852 . ПМИД 20631711 . S2CID 23996233 .
- ^ 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. Бибкод : 2003Sci...302.1704R . дои : 10.1126/science.1092053 . ПМИД 14657486 . S2CID 16029926 .
- ^ Фридл, Питер; Вольф, Катарина (май 2003 г.). «Инвазия и миграция опухолевых клеток: механизмы разнообразия и ускользания». Обзоры природы Рак . 3 (5): 362–374. дои : 10.1038/nrc1075 . ПМИД 12724734 . S2CID 5547981 .
- ^ Линь, Иян; Пал, Диман Санкар; Банерджи, Париджат; Банерджи, Татсат; Цинь, Гуанхуэй; Дэн, Ю; Борлейс, Джейн; Иглесиас, Пабло А.; Девреотес, Питер Н. (01 июля 2024 г.). «Подавление Ras усиливает поляризацию и миграцию клеток, обусловленную сократимостью заднего актомиозина» . Природная клеточная биология : 1–15. дои : 10.1038/s41556-024-01453-4 . ISSN 1476-4679 . ПМИД 38951708 .
- ^ Пал, Диман Санкар; Банерджи, Татсат; Линь, Иян; де Трогов, Феликс; Борлейс, Джейн; Иглесиас, Пабло А.; Девреотес, Питер Н. (июль 2023 г.). «Активация отдельных нижестоящих узлов в сети факторов роста управляет миграцией иммунных клеток» . Развивающая клетка . 58 (13): 1170–1188.e7. дои : 10.1016/j.devcel.2023.04.019 . ПМЦ 10524337 . ПМИД 37220748 .
{{cite journal}}: CS1 maint: Срок эмбарго PMC истек ( ссылка ) - ^ 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. Бибкод : 2020PNAS..117.6580V . дои : 10.1073/pnas.1912505117 . ПМК 7104260 . ПМИД 32152126 .
- ^ 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 . ПМИД 12669070 . S2CID 12408901 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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. дои : 10.1091/mbc.e11-10-0837 . ISSN 1059-1524 . ПМЦ 3350562 . ПМИД 22438587 .
- ^ Гхош, Дебрадж; Лью, Дэниел (01 мая 2020 г.). «Механистический взгляд на движение участков полярности, управляемое актином, у дрожжей» . Молекулярная биология клетки . 31 (10): 1085–1102. дои : 10.1091/mbc.e20-01-0040 . ISSN 1059-1524 . ПМЦ 7346724 . ПМИД 32186970 .
- ^ Хасимото, 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 .
- ^ 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 . ПМИД 20510924 . S2CID 13897324 .
- ^ 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 млекопитающих Caenorhabditis elegans белка полярности PAR-3» . J Клеточная Биол . 143 (1): 95–106. дои : 10.1083/jcb.143.1.95 . ПМК 2132825 . ПМИД 9763423 .
- ^ Табусе И., Идзуми И., 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 20510924 . S2CID 13897324 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 12669070 . S2CID 12408901 .
- ^ Тьюринг, AM; С, Франция (14 августа 1952 г.). «Химические основы морфогенеза». Фил. Пер. Р. Сок. Лонд. Б. 237 (641): 37–72. Бибкод : 1952РСПТБ.237...37Т . дои : 10.1098/rstb.1952.0012 . ISSN 0080-4622 .
- ^ Гирер, А.; Мейнхардт, Х. (1 декабря 1972 г.). «Теория формирования биологических закономерностей» . Кибернетик . 12 (1): 30–39. дои : 10.1007/BF00289234 . ISSN 0023-5946 . ПМИД 4663624 . S2CID 17746442 .
- ^ «Асимметричное деление клеток и формирование оси у эмбриона» . www.wormbook.org . Проверено 6 апреля 2018 г.
- ^ Манро, Эдвин; Нэнси, Джереми; Присс, Джеймс Р. (1 сентября 2004 г.). «Корковые потоки, вызванные асимметричным сокращением, 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 .
- ^ 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. Бибкод : 2011Sci...334.1137G . дои : 10.1126/science.1208619 . hdl : 10261/80314 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 22021673 . S2CID 206535351 .