Migracja komórek - Cell migration

Migracja komórek jest centralnym procesem rozwoju i utrzymania organizmów wielokomórkowych . Tworzenie tkanek podczas rozwoju embrionalnego , gojenie się ran i odpowiedzi immunologiczne wymagają zorganizowanego ruchu komórek w określonych kierunkach do określonych miejsc. Komórki często migrują w odpowiedzi na określone sygnały zewnętrzne, w tym sygnały chemiczne i sygnały mechaniczne . Błędy podczas tego procesu mają poważne konsekwencje, w tym niepełnosprawność intelektualną , choroby naczyniowe , powstawanie guza i przerzuty . Zrozumienie mechanizmu migracji komórek może doprowadzić do opracowania nowych strategii terapeutycznych do kontrolowania na przykład inwazyjnych komórek nowotworowych.

Ze względu na bardzo lepkie środowisko (niska liczba Reynoldsa ) komórki muszą stale wytwarzać siły, aby się poruszać. Komórki osiągają aktywny ruch poprzez bardzo różne mechanizmy. Wiele mniej złożonych organizmów prokariotycznych (i plemników) używa wici lub rzęsek do poruszania się. Migracja komórek eukariotycznych jest zazwyczaj znacznie bardziej złożona i może składać się z kombinacji różnych mechanizmów migracji. Na ogół obejmuje drastyczne zmiany w kształcie komórek, które są napędzane przez cytoszkielet . Dwa bardzo różne scenariusze migracji to ruch pełzający (najczęściej badany) i ruchliwość pęcherzyków. Paradygmatycznym przykładem ruchu pełzającego jest przypadek keratocytów naskórka ryb, które są szeroko wykorzystywane w badaniach i nauczaniu.

Badania migracji komórek

Migracja hodowanych komórek przyczepionych do powierzchni lub w 3D jest powszechnie badana za pomocą mikroskopii . Ponieważ ruch komórek jest bardzo powolny, rejestrowane są filmy z mikroskopii poklatkowej z prędkością kilku µm/minutę migrujących komórek, aby przyspieszyć ruch. Takie filmy (Rysunek 1) pokazują, że czołowy front komórki jest bardzo aktywny, z charakterystycznym zachowaniem kolejnych skurczów i ekspansji. Powszechnie przyjmuje się, że czołowy przód jest głównym silnikiem, który ciągnie ogniwo do przodu.

Wspólne cechy

Uważa się , że procesy leżące u podstaw migracji komórek ssaków są zgodne z procesami lokomocji ( nie plemnikowej ) . Wspólne obserwacje obejmują:

  • przemieszczenie cytoplazmatyczne na krawędzi natarcia (przód)
  • laminarne usuwanie gruzu nagromadzonego na grzbiecie w kierunku krawędzi spływu (tył)

Tę ostatnią cechę najłatwiej zaobserwować, gdy agregaty powierzchniowej cząsteczki są usieciowane przeciwciałem fluorescencyjnym lub gdy małe kulki zostają sztucznie związane z przodem komórki.

Obserwuje się, że inne komórki eukariotyczne migrują podobnie. Ameba Dictyostelium discoideum jest przydatna dla badaczy, ponieważ konsekwentnie wykazuje chemotaksję w odpowiedzi na cykliczny AMP ; poruszają się szybciej niż hodowane komórki ssaków; i mają haploidalny genom, który upraszcza proces łączenia konkretnego produktu genu z jego wpływem na zachowanie komórek.

Dwa różne modele poruszania się komórek. A) Model cytoszkieletu. B) Model przepływu membranowego
(A) Dynamiczne mikrotubule są niezbędne do wycofania ogona i są rozmieszczone na tylnym końcu w migrującej komórce. Zielone, bardzo dynamiczne mikrotubule; żółte, umiarkowanie dynamiczne mikrotubule i czerwone, stabilne mikrotubule. (B) Stabilne mikrotubule działają jak rozpórki i zapobiegają cofaniu ogona, a tym samym hamują migrację komórek.

Molekularne procesy migracji

Istnieją dwie główne teorie na temat tego, w jaki sposób komórka przesuwa swoją przednią krawędź: model cytoszkieletu i model przepływu przez błonę. Możliwe, że oba podstawowe procesy przyczyniają się do rozrostu komórek.

Model cytoszkieletu (A)

Krawędź wiodąca

Eksperymenty wykazały, że na przedniej krawędzi komórki następuje szybka polimeryzacja aktyny . Ta obserwacja doprowadziła do hipotezy, że tworzenie się filamentów aktynowych „popycha” krawędź natarcia do przodu i jest główną siłą poruszającą do przodu przedniej krawędzi komórki. Ponadto elementy cytoszkieletu są zdolne do intensywnej i bliskiej interakcji z błoną komórkową komórki.

Krawędź spływu

Inne składniki cytoszkieletu (takie jak mikrotubule) pełnią ważne funkcje w migracji komórek. Stwierdzono, że mikrotubule działają jak „rozpórki”, które przeciwdziałają siłom skurczu niezbędnym do cofania krawędzi spływu podczas ruchu komórek. Gdy mikrotubule w tylnej krawędzi komórki są dynamiczne, są w stanie przebudować się, aby umożliwić wycofanie. Gdy dynamika jest stłumiona, mikrotubule nie mogą się przebudować, a zatem przeciwstawić się siłom skurczu. Morfologia komórek z tłumioną dynamiką mikrotubul wskazuje, że komórki mogą rozciągać przednią krawędź (spolaryzowaną w kierunku ruchu), ale mają trudności z cofaniem krawędzi spływu. Z drugiej strony, wysokie stężenia leku lub mutacje mikrotubul, które depolimeryzują mikrotubule, mogą przywrócić migrację komórek, ale następuje utrata kierunkowości. Można wnioskować, że mikrotubule działają zarówno hamująco na ruch komórek, jak i ustalając kierunek.

Model przepływu membranowego (B)

Badania wykazały również , że przód migracji jest miejscem , w którym błona powraca na powierzchnię komórki z wewnętrznych puli błon pod koniec cyklu endocytarnego . Doprowadziło to do hipotezy, że wydłużenie krawędzi natarcia następuje głównie przez dodanie membrany z przodu komórki. Jeśli tak, filamenty aktynowe, które tworzą się z przodu, mogą stabilizować dodaną błonę tak, że tworzy się raczej ustrukturyzowane przedłużenie lub blaszka niż struktura pęcherzykowata (lub pęcherzyk) z przodu. Aby komórka mogła się poruszać, konieczne jest przyniesienie do przodu świeżego zaopatrzenia w „stopy” (białka zwane integrynami , które przyczepiają komórkę do powierzchni, po której się pełza). Jest prawdopodobne, że te stopy są endocytozowane w kierunku tyłu komórki i przeniesione na przód komórki przez egzocytozę, w celu ponownego wykorzystania do utworzenia nowych połączeń z podłożem.

Przepływ błonowy do tyłu (czerwone strzałki) i ruch pęcherzyków od tyłu do przodu (niebieskie strzałki) napędzają migrację niezależną od adhezji.

Mechaniczne podstawy migracji ameboidów

Pełzanie adhezyjne nie jest jedynym sposobem migracji wykazywanym przez komórki eukariotyczne. Co ważne, stwierdzono, że przerzutowe komórki rakowe i komórki odpornościowe, takie jak makrofagi i neutrofile, są zdolne do migracji niezależnej od adhezji. Mechaniczna podstawa tego trybu migracji jest mniej zrozumiała niż pełzanie przez komórki eukariotyczne lub pływanie przez mikroorganizmy oparte na wici. Fizyk EM Purcell wysnuł teorię, że w warunkach dynamiki płynów o niskiej liczbie Reynoldsa , która ma zastosowanie w skali komórkowej, wsteczny przepływ powierzchniowy może zapewnić mechanizm umożliwiający mikroskopijnym obiektom płynięcie do przodu. Po kilkudziesięciu latach eksperymentalne wsparcie dla tego modelu zostało zapewnione za pomocą optogenetyki . Wykazano, że komórki migrujące w sposób ameboidalny bez adhezji wykazują przepływ błony komórkowej w kierunku tyłu komórki, który może napędzać komórki poprzez wywieranie sił stycznych na otaczający płyn. Spolaryzowane przemieszczanie się pęcherzyków zawierających błonę z tyłu do przodu komórki pomaga utrzymać rozmiar komórki. W komórkach Dictyostelium discoideum obserwowano również wsteczny przepływ przez błonę . Co ciekawe, stwierdzono również, że migracja klastrów ponadkomórkowych jest wspierana przez podobny mechanizm wstecznego przepływu powierzchniowego.

Schematyczne przedstawienie zbiorowego biomechanicznego i molekularnego mechanizmu ruchu komórek

Zbiorowy biomechaniczny i molekularny mechanizm ruchu komórek

W oparciu o niektóre modele matematyczne, ostatnie badania stawiają hipotezę, że powstanie nowy biologiczny model kolektywnego biomechanicznego i molekularnego mechanizmu ruchu komórek. Proponuje się, aby mikrodomeny tkały teksturę cytoszkieletu i ich wzajemne oddziaływania wyznaczały miejsca powstawania nowych miejsc adhezji. Zgodnie z tym modelem dynamika sygnalizacji mikrodomenowej porządkuje cytoszkielet i jego interakcję z podłożem. Ponieważ mikrodomeny wyzwalają i utrzymują aktywną polimeryzację filamentów aktynowych, ich propagacja i ruch zygzakowaty na błonie generują silnie powiązaną sieć zakrzywionych lub liniowych filamentów zorientowanych pod szerokim spektrum kątów do granicy komórki. Proponuje się również, że oddziaływanie mikrodomen oznacza tworzenie nowych ognisk adhezji na obrzeżach komórki. Interakcja miozyny z siecią aktyny generuje następnie cofanie się/marszczenie błony, przepływ wsteczny i siły kurczliwe dla ruchu do przodu. Wreszcie, ciągłe wywieranie nacisku na stare miejsca zrostów ogniskowych może skutkować aktywacją kalpain wywołaną wapniem, a w konsekwencji oderwaniem zrostów ogniskowych, co kończy cykl.

Polaryzacja w migrujących komórkach

Migrujące komórki mają biegunowość — przód i tył. Bez niego poruszałyby się we wszystkich kierunkach jednocześnie, czyli rozprzestrzeniałyby się. Nie wiadomo, w jaki sposób ta polaryzacja jest formułowana na poziomie molekularnym wewnątrz komórki. W komórce, która wije się w przypadkowy sposób, front może łatwo ustąpić miejsca pasywnemu, ponieważ inny region lub regiony komórki tworzą nowy front. W komórkach chemotakujących stabilność frontu wydaje się być wzmocniona, gdy komórka postępuje w kierunku wyższego stężenia stymulującej substancji chemicznej. Ta polarność jest odzwierciedlona na poziomie molekularnym przez ograniczenie pewnych cząsteczek do określonych obszarów wewnętrznej powierzchni komórki . Tak więc fosfolipid PIP3 oraz aktywowane Rac i CDC42 znajdują się z przodu komórki, podczas gdy GTPaza Rho i PTEN znajdują się z tyłu.

Uważa się, że nitkowate aktyny i mikrotubule są ważne dla ustalenia i utrzymania polaryzacji komórki. Leki niszczące filamenty aktynowe mają wielorakie i złożone efekty, co odzwierciedla szeroką rolę, jaką te filamenty odgrywają w wielu procesach komórkowych. Możliwe, że w ramach procesu lokomocyjnego pęcherzyki błonowe są transportowane wzdłuż tych włókien na przód komórki. W komórkach chemotakujących zwiększona trwałość migracji w kierunku celu może wynikać ze zwiększonej stabilności ułożenia struktur nitkowatych wewnątrz komórki i determinować jej polarność. Z kolei te nitkowate struktury mogą być ułożone wewnątrz komórki zgodnie z tym, jak cząsteczki takie jak PIP3 i PTEN są rozmieszczone na wewnętrznej błonie komórkowej. A gdzie się one znajdują, wydaje się być z kolei określane przez sygnały chemoatraktantów, gdy oddziałują one na określone receptory na zewnętrznej powierzchni komórki.

Chociaż wiadomo, że mikrotubule wpływają na migrację komórek od wielu lat, mechanizm, za pomocą którego to robią, pozostaje kontrowersyjny. Na płaskiej powierzchni mikrotubule nie są potrzebne do ruchu, ale są wymagane do zapewnienia kierunkowości ruchu komórek i skutecznego wystawania krawędzi natarcia. Jeśli są obecne, mikrotubule opóźniają ruch komórek, gdy ich dynamika jest tłumiona przez leczenie lekami lub przez mutacje tubuliny.

Problemy odwrotne w kontekście ruchliwości komórek

Ustalono obszar badań zwany problemami odwrotnymi w ruchliwości komórek. Podejście to opiera się na założeniu, że zmiany behawioralne lub kształtu komórki niosą ze sobą informacje o podstawowych mechanizmach, które generują te zmiany. Odczytanie ruchu komórek, a mianowicie zrozumienie podstawowych procesów biofizycznych i mechanochemicznych, ma ogromne znaczenie. Modele matematyczne opracowane w tych pracach określają niektóre cechy fizyczne i właściwości materiałowe komórek lokalnie poprzez analizę sekwencji obrazów żywych komórek i wykorzystują te informacje do wyciągnięcia dalszych wniosków na temat struktur molekularnych, dynamiki i procesów zachodzących w komórkach, takich jak aktyna. sieć, mikrodomeny, chemotaksja, adhezja i przepływ wsteczny.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki