Миграция клеток - Cell migration - Wikipedia

Миграция клеток является центральным процессом в разработке и поддержании многоклеточные организмы. Образование ткани во время эмбриональное развитие, лечение раны и иммунные ответы все требуют организованного движения ячеек в определенных направлениях в определенные места. Клетки часто мигрируют в ответ на определенные внешние сигналы, включая химические сигналы и механические сигналы.[1] Ошибки в этом процессе имеют серьезные последствия, в том числе Интеллектуальная недееспособность, сосудистое заболевание, образование опухоли и метастаз. Понимание механизма миграции клеток может привести к разработке новых терапевтических стратегий для контроля, например, инвазивных опухолевых клеток.

Из-за высоковязкой среды (низкая Число Рейнольдса ) клеткам необходимо постоянно создавать силы, чтобы двигаться. Клетки достигают активного движения с помощью самых разных механизмов. Многие менее сложные прокариотические организмы (и сперматозоиды) используют жгутики или же реснички продвигать себя. Эукариотический миграция клеток обычно намного сложнее и может состоять из комбинации различных механизмов миграции. Обычно это связано с резкими изменениями формы клеток, которые вызваны цитоскелет. Два очень разных сценария миграции - это движение ползания (наиболее часто изучаемое) и подвижность пузырей.[2][3] Парадигматический пример ползания - случай эпидермальных кератоцитов рыб, которые широко используются в исследованиях и обучении.[4]

Исследования миграции клеток

Миграция культивированные клетки прикрепленный к поверхности или в 3D обычно изучается с помощью микроскопия.[5][6][3]Поскольку движение клеток очень медленное, несколько мкм / мин, покадровая микроскопия записываются видео мигрирующих клеток, чтобы ускорить движение. Такие видеоролики (рис. 1) показывают, что передний фронт клетки очень активен, с характерным поведением последовательных сокращений и расширений. Принято считать, что передний фронт является основным двигателем, который тянет клетку вперед.

Общие черты

Считается, что процессы, лежащие в основе миграции клеток млекопитающих, согласуются с процессами (не-сперматозоид ) движение.[7] Общие наблюдения включают:

  • цитоплазматическое смещение на переднем крае (спереди)
  • ламинарное удаление скопившегося в дорсальной части мусора по направлению к задней кромке (спина)

Последняя особенность наиболее легко наблюдается, когда агрегаты поверхностной молекулы сшиты флуоресцентным антитело или когда маленькие бусинки искусственно привязываются к передней части ячейки.[8]

Аналогичным образом мигрируют и другие эукариотические клетки. Амеба Dictyostelium discoideum полезен для исследователей, поскольку они постоянно демонстрируют хемотаксис в ответ на циклический AMP; они движутся быстрее, чем культивируемые клетки млекопитающих; и у них есть гаплоидный геном, который упрощает процесс связи определенного генного продукта с его влиянием на клеточное поведение.[9]

Две разные модели движения клеток. А) Модель цитоскелета. Б) Модель мембранного потока
(A) Динамические микротрубочки необходимы для втягивания хвоста и распределяются на заднем конце мигрирующей клетки. Зеленые высокодинамичные микротрубочки; желтые, умеренно динамические микротрубочки и красные, стабильные микротрубочки. (B) Стабильные микротрубочки действуют как стойки и предотвращают втягивание хвоста и тем самым ингибируют миграцию клеток.

Молекулярные процессы миграции

Существует две основные теории того, как клетка продвигается вперед по своему переднему краю: модель цитоскелета и модель мембранного потока. Возможно, что оба основных процесса способствуют расширению клеток.

Модель цитоскелета (A)

Передний край

Эксперименты показали, что существует быстрое актин полимеризация на переднем крае ячейки.[10] Это наблюдение привело к гипотезе, что образование актиновых филаментов "толкает" передний край вперед и является основной движущей силой для продвижения переднего края клетки.[11][12] Кроме того, элементы цитоскелета способны широко и тесно взаимодействовать с плазматической мембраной клетки.[13]

Задний край

Другие компоненты цитоскелета (например, микротрубочки) выполняют важные функции в миграции клеток. Было обнаружено, что микротрубочки действуют как «распорки», которые противодействуют сократительным силам, которые необходимы для ретракции заднего края во время движения клетки. Когда микротрубочки на заднем крае клетки динамичны, они способны ремоделироваться, позволяя ретракции. Когда динамика подавлена, микротрубочки не могут реконструироваться и, следовательно, противодействуют сократительным силам.[14] Морфология клеток с подавленной динамикой микротрубочек указывает на то, что клетки могут расширять передний край (поляризованный в направлении движения), но испытывают трудности с отводом своего заднего края.[15] С другой стороны, высокие концентрации лекарств или мутации микротрубочек, которые деполимеризуют микротрубочки, могут восстановить миграцию клеток, но при этом происходит потеря направленности. Можно сделать вывод, что микротрубочки действуют как для ограничения движения клеток, так и для установления направленности.

Модель мембранного потока (B)

Исследования также показали, что передняя часть миграции - это место, где мембрана возвращается на поверхность клетки из пулов внутренних мембран в конце эндоцитарный цикл.[16] Это привело к гипотезе о том, что расширение переднего края происходит в основном за счет добавления мембраны в передней части клетки. Если это так, то актиновые филаменты, которые формируются спереди, могут стабилизировать добавленную мембрану, так что формируется структурированное расширение или ламелла, а не пузырьковая структура (или пузырек) на ее передней части.[17] Чтобы клетка двигалась, необходимо принести свежий запас «стоп» (белков, называемых интегрины, которые прикрепляют клетку к поверхности, по которой она ползет) вперед. Вероятно, что эти ножки эндоцитозируются по направлению к задней части клетки и перемещаются к передней части клетки посредством экзоцитоза, чтобы повторно использовать их для образования новых прикреплений к субстрату.

Обратный мембранный поток (красные стрелки) и движение пузырьков сзади вперед (синие стрелки) управляют независимой от адгезии миграцией.[18]

Механистическая основа амебоидной миграции

Адгезивное ползание - не единственный способ миграции эукариотических клеток. Важно отметить, что метастатические раковые клетки и иммунные клетки, такие как макрофаги и нейтрофилы было обнаружено, что они способны к независимой от адгезии миграции. Механистическая основа этого способа миграции менее понятна, чем ползание эукариотических клеток или плавание микроорганизмами на основе жгутиков. Физик Э. М. Перселл предположил, что в условиях низкого Число Рейнольдса Гидродинамика, которая применяется в клеточном масштабе, обратный поверхностный поток может обеспечить механизм для микроскопических объектов, чтобы плыть вперед.[19] Спустя несколько десятилетий экспериментальная поддержка этой модели была предоставлена ​​с использованием оптогенетика. Было показано, что клетки, мигрирующие амебоидным способом без адгезии, демонстрируют поток плазматической мембраны в направлении задней части клетки, который может продвигать клетки, оказывая касательные силы на окружающую жидкость.[18][20] Поляризованный перенос содержащих мембраны везикул от задней части клетки к передней помогает поддерживать размер клетки.[18] Обратный мембранный поток также наблюдался в Dictyostelium discoideum клетки.[21] Интересно, что миграция надклеточных кластеров также поддерживается сходным механизмом обратного поверхностного потока.[22]

Схематическое изображение коллективного биомеханического и молекулярного механизма движения клеток [23]

Коллективный биомеханический и молекулярный механизм движения клеток

Основываясь на некоторых математических моделях, недавние исследования выдвигают гипотезу о новой биологической модели коллективного биомеханического и молекулярного механизма движения клеток.[23] Предполагается, что микродомены плетут структуру цитоскелета, и их взаимодействия отмечают место для образования новых сайтов адгезии. Согласно этой модели, динамика передачи сигналов микродомена организует цитоскелет и его взаимодействие с субстратом. Поскольку микродомены запускают и поддерживают активную полимеризацию актиновых филаментов, их распространение и зигзагообразное движение по мембране создают сильно взаимосвязанную сеть изогнутых или линейных филаментов, ориентированных под широким спектром углов к границе клетки. Также предполагается, что взаимодействие микродоменов отмечает образование новых очаговых участков адгезии на периферии клетки. Взаимодействие миозина с сетью актина затем создает втягивание / взъерошивание мембраны, ретроградный поток и сократительные силы для движения вперед. Наконец, постоянное воздействие на старые очаговые адгезии может привести к активации кальпаина, вызванной кальцием, и, как следствие, к отслоению очаговых спаек, завершающему цикл.

Полярность в мигрирующих клетках

Мигрирующие клетки имеют полярность - перед и зад. Без него они двигались бы сразу во всех направлениях, т.е. Как эта полярность формулируется на молекулярном уровне внутри клетки, неизвестно. В ячейке, которая извивается случайным образом, фронт может легко уступить место пассивному, поскольку какая-то другая область или области ячейки образуют новый фронт. В хемотаксирующих клетках стабильность фронта, по-видимому, увеличивается по мере того, как клетка продвигается к более высокой концентрации стимулирующего химического вещества. Эта полярность отражается на молекулярном уровне ограничением определенных молекул определенными областями внутреннего поверхность клетки. Таким образом, фосфолипид PIP3 и активировал Rac и CDC42 находятся в передней части ячейки, тогда как Rho GTPase и PTEN находятся ближе к тылу.[24][25]

Считается, что нитчатые актины и микротрубочки важны для установления и поддержания полярности клетки.[нужна цитата ] Лекарства, разрушающие актиновые филаменты, обладают множественными и сложными эффектами, что отражает широкую роль, которую эти филаменты играют во многих клеточных процессах. Возможно, что как часть двигательного процесса мембрана пузырьки транспортируются по этим нитям к передней части клетки. В хемотаксирующих клетках повышенная устойчивость миграции к мишени может быть результатом повышенной стабильности расположения нитевидных структур внутри клетки и определять ее полярность. В свою очередь, эти нитевидные структуры могут быть расположены внутри клетки в соответствии с тем, как молекулы, подобные PIP3 и PTEN, расположены на внутренней клеточной мембране. А их расположение, в свою очередь, определяется сигналами хемоаттрактанта, поскольку они воздействуют на определенные рецепторы на внешней поверхности клетки.

Хотя известно, что микротрубочки влияют на миграцию клеток в течение многих лет, механизм, с помощью которого они это делают, остается спорным. На плоской поверхности микротрубочки не нужны для движения, но они необходимы для обеспечения направленности движения клеток и эффективного выступа переднего края.[15][26] Когда они присутствуют, микротрубочки замедляют движение клеток, когда их динамика подавляется медикаментозным лечением или мутациями тубулина.[15]

Обратные задачи в контексте подвижности клеток

Область исследований под названием обратные задачи в подвижности клеток. [27][28][23]Этот подход основан на идее, что изменения поведения или формы клетки несут информацию о лежащих в основе механизмах, которые вызывают эти изменения. Чтение движения клеток, а именно понимание лежащих в основе биофизических и механохимических процессов, имеет первостепенное значение.[29][30]Математические модели, разработанные в этих работах, определяют некоторые физические характеристики и свойства материала клеток локально посредством анализа последовательностей изображений живых клеток и используют эту информацию для дальнейших выводов о молекулярных структурах, динамике и процессах внутри клеток, таких как актин. сеть, микродомены, хемотаксис, адгезия и ретроградный поток.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мак, М .; Разлив, F .; Роджер, К .; Заман, М. (2016). «Миграция отдельных клеток в сложных микросредах: механика и сигнальная динамика». Журнал биомеханической инженерии. 138 (2): 021004. Дои:10.1115/1.4032188. ЧВК  4844084. PMID  26639083.
  2. ^ Huber, F; Schnauss, J; Ренике, S; Rauch, P; Мюллер, К; Fuetterer, C; Каес, Дж (2013). «Возникающая сложность цитоскелета: от единичных нитей до ткани». Успехи в физике. 62 (1): 1–112. Bibcode:2013AdPhy..62 .... 1H. Дои:10.1080/00018732.2013.771509. ЧВК  3985726. PMID  24748680. онлайн
  3. ^ а б Пебуорт, Марк-Филлип; Cismas, Sabrina A .; Асури, Прашант (2014). «Новая платформа для культивирования 2.5D для исследования роли градиентов жесткости в независимой от адгезии миграции клеток». PLOS ONE. 9 (10): e110453. Bibcode:2014PLoSO ... 9k0453P. Дои:10.1371 / journal.pone.0110453. ISSN  1932-6203. ЧВК  4195729. PMID  25310593.
  4. ^ Прието, Даниэль; Апарисио, Гонсало; Сотело-Сильвейра, Хосе Р. (19 июня 2017 г.). «Анализ миграции клеток: недорогой лабораторный эксперимент для курсов клеточной биологии и биологии развития с использованием кератоцитов из рыбьей чешуи». Биохимия и молекулярная биология образование. 45 (6): 475–482. Дои:10.1002 / bmb.21071. PMID  28627731.
  5. ^ Дорманн, Дирк; Вейер, Корнелис Дж (2009-08-09). «Визуализация миграции клеток». Журнал EMBO. 25 (15): 3480–3493. Дои:10.1038 / sj.emboj.7601227. ISSN  0261-4189. ЧВК  1538568. PMID  16900100.
  6. ^ Ши, Уэнтинг; Ямада, Соичиро (22 декабря 2011 г.). «Визуализация живых клеток мигрирующих клеток, экспрессирующих белки с флуоресцентной меткой в ​​трехмерной матрице». Журнал визуализированных экспериментов (58). Дои:10.3791/3589. ISSN  1940-087X. ЧВК  3369670. PMID  22215133.
  7. ^ "Что такое миграция ячеек?". Шлюз миграции ячеек. Консорциум клеточной миграции. Архивировано из оригинал 22 октября 2014 г.. Получено 24 марта 2013.
  8. ^ Аберкромби, М; Heaysman, JE; Пегрум, С.М. (1970). «Движение фибробластов в культуре III. Движение частиц по дорсальной поверхности ведущей ламеллы». Экспериментальные исследования клеток. 62 (2): 389–98. Дои:10.1016/0014-4827(70)90570-7. PMID  5531377.
  9. ^ Уиллард, Стейси С; Девреотес, Питер Н. (27 сентября 2006 г.). «Сигнальные пути, опосредующие хемотаксис в социальной амебе, Dictyostelium discoideum». Европейский журнал клеточной биологии. 85 (9–10): 897–904. Дои:10.1016 / j.ejcb.2006.06.003. ISSN  0171-9335. PMID  16962888.
  10. ^ Ван, Ю. Л. (1985). «Обмен субъединиц актина на переднем крае живых фибробластов: возможная роль беговой дорожки». Журнал клеточной биологии. 101 (2): 597–602. Дои:10.1083 / jcb.101.2.597. ЧВК  2113673. PMID  4040521.
  11. ^ Mitchison, T; Крамер, LP (1996). «Актиновая подвижность клеток и перемещение клеток». Клетка. 84 (3): 371–9. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 81281-7. PMID  8608590. S2CID  982415.
  12. ^ Поллард, Томас Д; Борисы, Гэри G (2003). «Подвижность клеток, управляемая сборкой и разборкой актиновых нитей». Клетка. 112 (4): 453–65. Дои:10.1016 / S0092-8674 (03) 00120-X. PMID  12600310. S2CID  6887118.
  13. ^ Доэрти, Гэри Дж .; МакМахон, Харви Т. (2008). «Посредничество, модуляция и последствия мембранно-цитоскелетных взаимодействий». Ежегодный обзор биофизики. 37: 65–95. Дои:10.1146 / annurev.biophys.37.032807.125912. PMID  18573073.
  14. ^ Ян, приветствую; Гангули, Анутош; Кабрал, Фернандо (2010). «Ингибирование клеточной миграции и деления клеток коррелирует с определенными эффектами лекарств, ингибирующих микротрубочки». Журнал биологической химии. 285 (42): 32242–50. Дои:10.1074 / jbc.M110.160820. ЧВК  2952225. PMID  20696757.
  15. ^ а б c Гангули, А; Ян, H; Шарма, Р. Патель, К; Кабрал, Ф (2012). «Роль микротрубочек и их динамика в миграции клеток». J Biol Chem. 287 (52): 43359–69. Дои:10.1074 / jbc.M112.423905. ЧВК  3527923. PMID  23135278.
  16. ^ Бретчер, М. С. (1983). «Распределение рецепторов трансферрина и липопротеидов низкой плотности на поверхности гигантских клеток HeLa». Труды Национальной академии наук. 80 (2): 454–8. Bibcode:1983ПНАС ... 80..454Б. Дои:10.1073 / pnas.80.2.454. ЧВК  393396. PMID  6300844.
  17. ^ Бретчер, М. (1996). «Заставляя мембранный поток и цитоскелет взаимодействовать в движущихся клетках». Клетка. 87 (4): 601–6. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 81380-X. PMID  8929529. S2CID  14776455.
  18. ^ а б c О'Нил, Патрик; Кастильо-Бадильо, Жан; Мешик, Ксения; Калянараман, Вани; Мельгареджо, Кристал; Гаутам, Н. (2018). «Мембранный поток управляет независимым от адгезии режимом миграции амебоидных клеток». Клетка развития. 46 (1): 9–22. Дои:10.1016 / j.devcel.2018.05.029. ЧВК  6048972. PMID  29937389.
  19. ^ Перселл, Э. М. (1977). «Жизнь при низком числе Рейнольдса». Американский журнал физики. 45 (3): 3–11. Bibcode:1977AmJPh..45 .... 3P. Дои:10.1119/1.10903. HDL:2433/226838.
  20. ^ Белл, Джордж Р. Р .; Коллинз, Шон Р. (2018). ""Ро "ячеистая лодка с обратным мембранным потоком". Клетка развития. 46 (1): 1–3. Дои:10.1016 / j.devcel.2018.06.008. PMID  29974859.
  21. ^ Танака, Масахито; Кикучи, Такеоми; Уно, Хироюки; Окита, Кейсуке; Китаниши-Юмура, Тошико; Юмура, Шигехико (2017). «Оборот и поток клеточной мембраны для миграции клеток». Научные отчеты. 7 (1): 12970. Bibcode:2017НатСР ... 712970Т. Дои:10.1038 / s41598-017-13438-5. ЧВК  5636814. PMID  29021607.
  22. ^ Shellard, Адам; Сабо, Андраш; Трепат, Ксавьер; Мэр Роберто (2018). «Надклеточное сокращение в задней части групп клеток нервного гребня управляет коллективным хемотаксисом». Наука. 362 (6412): 339–343. Bibcode:2018Научный ... 362..339S. Дои:10.1126 / science.aau3301. ЧВК  6218007. PMID  30337409.
  23. ^ а б c Джошкун, Хасан; Чоскун, Хусейн. (Март 2011 г.). «Клеточный врач: считывание движения клеток. Метод математической диагностики посредством анализа движения отдельных клеток». Бык математика биол. 73 (3): 658–82. Дои:10.1007 / с11538-010-9580-х. PMID  20878250. S2CID  37036941.
  24. ^ Parent, C. A .; Девреотес, П.Н. (1999). "Чувство направления клетки". Наука. 284 (5415): 765–70. Bibcode:1999Научный ... 284..765П. Дои:10.1126 / наука.284.5415.765. PMID  10221901.
  25. ^ Ридли, А. Дж .; Шварц, Массачусетс; Берридж, К; Фиртель, РА; Гинзберг, MH; Борисы, Г; Парсонс, JT; Хорвиц, АР (2003). «Миграция ячеек: интеграция сигналов спереди назад». Наука. 302 (5651): 1704–9. Bibcode:2003Научный ... 302.1704R. Дои:10.1126 / science.1092053. PMID  14657486. S2CID  16029926.
  26. ^ Мейер, A.S .; Hughes-Alford, S.K .; Kay, J.E .; Castillo, A .; Уэллс, А .; Gertler, F.B .; Лауффенбургер, Д.А. (2012). «2D протрузия, но не подвижность, предсказывает индуцированную фактором роста миграцию раковых клеток в 3D коллаген». J. Cell Biol. 197 (6): 721–729. Дои:10.1083 / jcb.201201003. ЧВК  3373410. PMID  22665521.
  27. ^ Чоскун, Хусейн. (2006). Математические модели подвижности амебоидных клеток и модельные обратные задачи - через ProQuest.
  28. ^ Чоскун, Хусейн; Ли, Йи; Mackey, Mackey A. (январь 2007 г.). «Подвижность амебоидных клеток: модель и обратная задача с приложением к данным визуализации живых клеток». J Теор Биол. 244 (2): 169–79. Дои:10.1016 / j.jtbi.2006.07.025. PMID  16997326.
  29. ^ «Профилирование ячеек с помощью математики». Математическая ассоциация Америки.
  30. ^ «Математики используют« профилирование »клеток для выявления аномалий, в том числе рака». ScienceDaily.

внешняя ссылка