Распознавание клеток
В клеточной биологии межклеточное распознавание — это способность клетки отличать один тип соседней клетки от другого. [1] Это явление возникает, когда встречаются комплементарные молекулы на противоположных поверхностях клеток. Рецептор клеточной на поверхности одной клетки связывается со своим специфическим лигандом на соседней клетке, инициируя каскад событий, которые регулируют поведение клеток, начиная от простой адгезии и заканчивая сложной дифференцировкой . [2] Как и другие клеточные функции, на межклеточное распознавание влияют вредные мутации в задействованных генах и белках , и оно может быть ошибочным. Биологические события, которые происходят в результате межклеточного узнавания, важны для развития животных, микробиомов и медицины человека.
Основы
[ редактировать ]Межклеточное распознавание происходит, когда две молекулы, ограниченные плазматическими мембранами разных клеток, связываются друг с другом, вызывая реакцию коммуникации, сотрудничества, транспорта, защиты и/или роста. 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 признание и внешнее признание . [3] Внутреннее распознавание — это когда клетки, являющиеся частью одного организма, объединяются. [3] Внешнее распознавание — это когда клетка одного организма распознает клетку другого организма, например, когда клетка млекопитающего обнаруживает микроорганизм в организме. [3] Молекулы, завершающие это связывание, состоят из белков, углеводов и липидов, в результате чего образуются различные гликопротеины , липопротеины и гликолипопротеины. [3] Исследования показывают, что взаимодействия гликан-гликан, наблюдаемые примерно в 200-300pN, также могут играть роль в межклеточном распознавании. [4] В частности, было изучено, что сложные углеводы чрезвычайно важны для межклеточного распознавания, особенно когда они распознаются комплементарными углеводами. Чтобы обеспечить правильное место связывания, проверив окружающие области или закрепив ранее созданную связь, сложные углеводы и их комплементарные углеводы способны создавать гибкие системы взаимодействия. Эти взаимодействия, хотя и были слабыми, были изучены на различных испытуемых, включая, помимо прочего, эмбриональные клетки мыши, эпителиальные клетки роговицы и клетки эмбриональной карциномы человека. [4]
Биологические функции внутреннего распознавания
[ редактировать ]Рост и развитие
[ редактировать ]Одну из наиболее простых версий межклеточного распознавания адгезии можно наблюдать у губок , самой примитивной группы в животном мире. Губки развиваются путем агрегирования отдельных клеток в более крупные кластеры. Благодаря мембраносвязывающим белкам и секретируемым ионам отдельные клетки губок способны координировать агрегацию, предотвращая при этом слияние разных видов или даже разных особей. [5] Это было обнаружено, когда попытки привить клетки губок от разных видов или особей одного и того же вида потерпели неудачу, в то время как попытки использовать клетки одного и того же человека сливались успешно. [5] Вероятно, это связано с наличием различных кадгеринов , мембранных белков, связывающих кальций, экспрессируемых разными видами губок и особями. [5] Кадгерины присутствуют и в более сложных организмах. У эмбрионов мышей E-кадгерин на клеточных мембранах отвечает за адгезию клеток, необходимую для уплотнения эмбриона. [6]
Распознавание клеток для реакции на травму
[ редактировать ]Когда крупный многоклеточный организм получает травму, распознавание клеток часто участвует в доставке определенных типов клеток к месту травмы. Типичным примером этого являются клетки, экспрессирующие селектин у животных. Селектин представляет собой рецепторный белок, обнаруженный на мембранах лейкоцитов, тромбоцитов и эндотелиальных клеток, который связывает мембраносвязанные гликаны. [7] В ответ на повреждение эндотелиальные клетки будут экспрессировать селектин, который связывается с гликанами, присутствующими на поверхности клеток лейкоцитов. [7] Тромбоцитарные клетки, участвующие 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 повреждения. [7] Таким образом, соответствующие клетки доставляются к месту повреждения, чтобы немедленно справиться с восстановлением или вторжением микроорганизмов. [7]
Биологические функции внешнего узнавания
[ редактировать ]Распознавание патогена в иммунной системе
[ редактировать ]Клетки со способностями распознавания иммунной системы включают макрофаги, дендритные клетки, Т-клетки и В-клетки. [8] Межклеточное распознавание особенно важно для врожденной иммунной системы, которая очень широко идентифицирует патогены. Центральное место в этом процессе занимает связывание рецепторов распознавания образов (PRR) фагоцитов и патоген-ассоциированных молекулярных образов (PAMP) в патогенных микроорганизмах. [8] Один тип PRR представляет собой группу интегральных мембранных гликопротеинов, называемых toll-подобными рецепторами (TLR), которые могут распознавать определенные липопротеины, пептидогликаны, богатую CpG ДНК и жгутиковые компоненты в бактериальных клетках, а также гликопротеины и фосфолипиды простейших паразитов и конидии (споры грибов). [8] Связывание PAMP с белками TLR обычно приводит к внутреннему сигнальному каскаду, включающему ряд фосфорилирований, добавление фосфатной группы и убиквитинирование, добавление небольшого белка, который маркирует молекулы для деградации, что в конечном итоге приводит к транскрипции генов. связанные с воспалением. [8] Использование TLR клетками врожденной иммунной системы привело к эволюционной битве между патогенными клетками, вырабатывающими различные PAMP, которые невозможно распознать, и иммунными клетками, вырабатывающими новые мембранные белки, которые могут их распознавать. [8]
Бактериальная экология
[ редактировать ]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 посредством связывания белков внешней мембраны TraA и TraB, чтобы облегчить процесс, называемый обменом внешней мембраны (OME), который позволяет бактериальным клеткам заменять мембранные липиды, сахара и токсины. [9] Распознавание клеток и ОМЕ могут быть достигнуты только в том случае, если связываются варианты TraA и TraB из одной и той же группы распознавания. [9] Эти взаимодействия могут создать физиологическое разнообразие, необходимое для устойчивости к антибиотикам в популяциях бактерий. [10] Мембранный белок ChiA Escherichia coli участвует в процессе контактно-зависимого торможения (CDI), при котором он связывается с рецепторами конкурирующих штаммов E.coli и высвобождает 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 разрушения других бактериальных колоний после распознавания либо путем высвобождения токсинов, либо путем высвобождения сигнальных белков в другие P. mirabilis . клетки [9] Связывание бактериальных поверхностных рецепторов адгезии также участвует в формировании биопленок. [9]
Распознавание эритроцитов
[ редактировать ]Группы крови
[ редактировать ]Эритроциты содержат в своих плазматических мембранах антигены , которые позволяют отнести их к определенной категории клеток крови. Эти антигены могут представлять собой полисахариды, гликопротеины или белки, связанные с GPI (гликолипидами). [11] Антигены различаются по сложности: от небольших молекул, связанных с внеклеточной стороной фосфолипидного бислоя, до крупных мембранных белков, которые многократно образуют петли между обеими сторонами мембраны. [11] Меньшие полисахаридные антигены классифицируют клетки крови на типы A, B, AB и O, тогда 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 микробных патогенов, могут связываться с антигеном чужеродной клетки крови и распознавать его как патоген, поскольку антиген незнаком. [11] Нелегко разделить распознавание эритроцитов на внутреннее или внешнее, поскольку чужеродная клетка может быть распознана как часть организма, если она имеет правильные антигены.
Вредные мутации
[ редактировать ]Мутации TLR
[ редактировать ]Мутации в белках рецепторов млекопитающих могут вызывать нарушения межклеточного распознавания, повышая индивидуальную восприимчивость к определенным патогенам и хроническим заболеваниям. Когда происходят мутации в генах, кодирующих TLR, белки могут потерять способность связываться с полисахаридами, липидами или белками клеточной стенки или мембраны 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 приводят к повышенной восприимчивости к патогенам. [12] Мутация треонина на цистеин в гене TRL2 связана с неспособностью распознать микобактерию туберкулеза как возбудителя туберкулезного менингита. [13] Та же самая мутация, T597C, позже наблюдалась последовательно с неспособностью распознавать Mycobacterium leprae , возбудителя лепры. [14] Мутация аргинина на глутамин в TRL2, Arg753Gln, была связана с увеличением количества инфекций мочевыводящих путей у детей, вызванных грамположительными бактериями. [15] Множественные мутации в TLR4, Asp299Gly и Thr399Ile были вовлечены в восприимчивость к бактериальным патогенам, вызывающим пародонтит. [16] Связь мутаций TLR с болезнью Крона также исследовалась, но не дала убедительных доказательств. [17] Общей характеристикой этих миссенс-мутаций является то, что заменяемые аминокислотные остатки имеют заметно разные свойства боковых цепей, что, вероятно, способствует нарушению функции белка TLR.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кэмпбелл и др., Биология, восьмое издание , 2008 Pearson Education Inc.
- ↑ Шнаар, Рональд Л., Цели исследования , « Ссылка », 1 мая 2010 г.
- ^ Jump up to: а б с д Аджит Варки и Джон Б. Лоу, Биологические роли гликанов, Основы гликобиологии, 2-е издание Колд-Спринг-Харбор, 2009 г. [ нужна страница ]
- ^ Jump up to: а б Бусиор, Ивона; Бургер, Макс М. (октябрь 2004 г.). «Взаимодействие углевод-углеводов в распознавании клеток». Современное мнение в области структурной биологии . 14 (5): 631–637. дои : 10.1016/j.sbi.2004.08.006 . ПМИД 15465325 .
- ^ Jump up to: а б с Фернандес-Бускетс, Ксавьер; Бургер, Макс М. (1999). «Клеточная адгезия и гистосовместимость губок». Микроскопические исследования и техника . 44 (4): 204–218. doi : 10.1002/(SICI)1097-0029(19990215)44:4<204::AID-JEMT2>3.0.CO;2-I . ПМИД 10098923 . S2CID 36978646 .
- ^ Ли, Чао-Бо; Ху, Ли-Ли; Ван, Чжэнь-Донг; Чжун, Шу-Ци; Лей, Лей (22 декабря 2009 г.). «Регуляция начала уплотнения эмбриона мыши: Регуляция начала уплотнения эмбриона мыши» . И Цюань = Эредитас . 31 (12): 1177–1184. дои : 10.3724/sp.j.1005.2009.01177 . ПМИД 20042384 .
- ^ Jump up to: а б с д и Ричард Д. Каммингс и Роджер П. МакЭвер, лектины C-типа, Основы гликобиологии, 2-е издание Колд-Спринг-Харбор, 2009 г. [ нужна страница ]
- ^ Jump up to: а б с д и Акира, Шизуо; Уэмацу, Сатоши; Такеучи, Осаму (февраль 2006 г.). «Распознавание патогенов и врожденный иммунитет» . Клетка . 124 (4): 783–801. дои : 10.1016/j.cell.2006.02.015 . ПМИД 16497588 . S2CID 14357403 .
- ^ Jump up to: а б с д и Тросель, Вера; Цао, Пэнбо; Уолл, Дэниел (март 2018 г.). «Клеточно-клеточное распознавание и социальные сети у бактерий: распознавание клеток и социальные сети» . Экологическая микробиология . 20 (3): 923–933. дои : 10.1111/1462-2920.14005 . ПМК 5874169 . ПМИД 29194914 .
- ^ Кристофер Н. Вассалло, П. Цао, А. Конклин, Х. Финкельштейн, К.С. Хейс, Д. Уолл. Инфекционные полиморфные токсины, доставляемые путем обмена на внешней мембране, различают родственников миксобактерий. 2017. eLife Микробиология и инфекционные заболевания [ нужна страница ]
- ^ Jump up to: а б с д и Лора Дин. Антигены группы крови являются поверхностными маркерами на мембране эритроцитов. Группы крови и антигены эритроцитов. 2005. Национальный центр биотехнологической информации. [ нужна страница ]
- ^ Бхиде, Мангеш Р.; Муха, Растислав; Микула, Иван; Кисова, Люсия; Скрабана, Ростислав; Новак, Михал; Микула, Иван (декабрь 2009 г.). «Новые мутации в генах TLR вызывают гипочувствительность к инфекции Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis» . БМК Генетика . 10 (1): 21. дои : 10.1186/1471-2156-10-21 . ПМК 2705378 . ПМИД 19470169 .
- ^ Туонг, NTT; Хоун, ТР; Туэйтс, GE; Чау, ТТХ; Лан, НТН; Куи, ХТ; Хьеу, Северная Каролина; Адерем, А.; Хиен, ТТ; Фаррар, Джей-Джей; Данстан, SJ (июль 2007 г.). «Полиморфизм человеческого TLR2 связан с повышенной восприимчивостью к туберкулезному менингиту». Гены и иммунитет . 8 (5): 422–428. дои : 10.1038/sj.gene.6364405 . ПМИД 17554342 . S2CID 24528072 .
- ^ Бочуд, Пьер-Ив; Хоун, Томас Р.; Сиддики, М. Руби; Сондерсон, Пол; Бриттон, Свен; Авраам, Исаак; Аргау, Азеб Тадессе; Джанер, Марта; Чжао, Лю Пин; Каплан, Гилла; Адерем, Алан (15 января 2008 г.). «Полиморфизмы Toll-подобного рецептора 2 (TLR2) связаны с реверсивной реакцией при проказе» . Журнал инфекционных болезней . 197 (2): 253–261. дои : 10.1086/524688 . ПМК 3077295 . ПМИД 18177245 .
- ^ Тейбл, Ю.; Бердели, А.; Мир, С. (декабрь 2007 г.). «Связь полиморфизма Arg753Gln гена TLR2 с инфекцией мочевыводящих путей у детей». Международный журнал иммуногенетики . 34 (6): 399–405. дои : 10.1111/j.1744-313X.2007.00709.x . ПМИД 18001294 . S2CID 35652649 .
- ^ Фукусаки, Т.; Охара, Н.; Хара, Ю.; Ёсимура, А.; Ёсиура, К. (декабрь 2007 г.). «Доказательства связи между полиморфизмом гена Toll-подобного рецептора 4 и умеренным/тяжелым пародонтитом у японской популяции». Журнал периодонтальных исследований . 42 (6): 541–545. дои : 10.1111/j.1600-0765.2007.00979.x . ПМИД 17956467 .
- ^ Хун, Дживон; Люнг, Юфимия; Фрейзер, Алан Дж; Мерриман, Тони Р.; Вишну, Пракаш; Криссансен, Джеффри В. (ноябрь 2007 г.). «Полиморфизмы TLR2, TLR4 и TLR9 и болезнь Крона в когорте новозеландской европеоидной расы». Журнал гастроэнтерологии и гепатологии . 22 (11): 1760–1766. дои : 10.1111/j.1440-1746.2006.04727.x . ПМИД 17914947 . S2CID 20973083 .