Полярность ячейки - Cell polarity

Для использования в других целях см. Полярность.

Полярность ячейки относится к пространственным различиям в форме, структуре и функциях внутри клетка. Почти все типы клеток обладают той или иной формой полярности, которая позволяет им выполнять специализированные функции. Классические примеры поляризованных клеток описаны ниже, включая эпителиальные клетки с апикально-базальной полярностью, нейроны в котором сигналы распространяются в одном направлении от дендриты к аксоны, и мигрирующие клетки. Кроме того, полярность клеток важна во время многих типов асимметричное деление клеток для создания функциональной асимметрии между дочерними клетками.

Многие из ключевых молекулярных игроков, участвующих в клеточной полярности, хорошо законсервированы. Например, в клетках многоклеточных животных комплекс PAR-3 / PAR-6 / aPKC играет фундаментальную роль в полярности клеток. Хотя биохимические детали могут различаться, некоторые из основных принципов, такие как отрицательная и / или положительная обратная связь между различными молекулами, являются общими и важными для многих известных систем полярности.[1]

Поляризованная локализация Протеин Штауфен (белая стрелка) в Дрозофила ооцит 9 стадии (Stau: GFP, DAPI).

Примеры поляризованных ячеек

Эпителиальные клетки

Основная статья: Полярность эпителия

Эпителиальные клетки слипаются друг с другом через узкие стыки, десмосомы и прилипает к стыкам, образуя слои клеток, выстилающие поверхность тела животного и внутренние полости (например, пищеварительный тракт и кровеносную систему). Эти клетки имеют апикально-базальную полярность, определяемую апикальная мембрана лицом к внешней поверхности тела, или просвет внутренних полостей, а базолатеральная мембрана ориентированы от просвета. Базолатеральная мембрана относится как к латеральной мембране, где межклеточные соединения соединяют соседние клетки, так и к базальной мембране, где клетки прикрепляются к базальная мембрана, тонкий лист внеклеточный матрикс белки, которые отделяют эпителиальный лист от подлежащих клеток и соединительная ткань. Эпителиальные клетки также обнаруживают плоская полярность ячейки, при котором специализированные структуры ориентированы в плоскости эпителиального листа. Некоторые примеры плоской полярности клеток включают чешую рыбы, ориентированную в одном направлении, и аналогично перья птиц, мех млекопитающих и кутикулярные выступы (сенсорные волоски и т. Д.) На телах и придатках мух и других насекомых. .[2]

Нейроны

Основная статья: Нейрон
Дальнейшая информация: Синапс

Нейрон получает сигналы от соседних клеток через разветвленные клеточные расширения, называемые дендриты. Затем нейрон передает электрический сигнал по специализированной аксон расширение синапса, где нейротрансмиттеры высвобождаются для передачи сигнала другому нейрону или эффекторной клетке (например, мышце или железе). Таким образом, полярность нейрона облегчает направленный поток информации, который необходим для связи между нейронами и эффекторными клетками.[3]

Мигрирующие клетки

Основная статья: Миграция клеток

Многие типы клеток способны к миграции, например лейкоциты и фибробласты, и для того, чтобы эти клетки двигались в одном направлении, они должны иметь определенные перед и зад. В передней части ячейки находится передний край, который часто определяется плоской волнистостью клеточной мембраны, называемой ламеллиподиум или тонкие выступы, называемые филоподия. Здесь, актин полимеризация в направлении миграции позволяет клеткам расширять передний край клетки и прикрепляться к поверхности.[4] В задней части клетки спайки разбираются и связки актина микрофиламенты, называется стрессовые волокна, сожмите и потяните задний край вперед, чтобы не отставать от остальной части ячейки. Без этой передне-задней полярности клетки были бы неспособны координировать направленную миграцию.[5]

Бутоновые дрожжи

Расцветающие дрожжи, Saccharomyces cerevisiae, представляет собой модельную систему для эукариотической биологии, в которой были выяснены многие из фундаментальных элементов развития полярности. Клетки дрожжей имеют много общих черт полярности клеток с другими организмами, но содержат меньше белковых компонентов. У дрожжей полярность смещена с образованием унаследованного ориентира, участка белка Rsr1 в случае почкования или участка Rax1 в проекциях спаривания.[6] В отсутствие ориентиров полярности (например, у мутантов с делецией генов) клетки могут выполнять спонтанные нарушение симметрии,[7] в котором расположение полярности определяется случайным образом. Спонтанная поляризация все еще генерирует только один участок зародыша, что объясняется положительной обратной связью, увеличивая концентрации белков полярности локально на самом большом участке полярности, в то же время снижая белки полярности глобально за счет их истощения. Главный регулятор полярности у дрожжей - [CDC42 | Cdc42], который является членом эукариотической Ras-гомологичной группы. Семья Ро ГТФаз и член суперсемейства малых ГТФаз, которые включают ГТФазы Rop в растениях и малые ГТФазы в прокариотах. Для формирования сайтов полярности должен присутствовать Cdc42, способный циклировать GTP, процесс регулируется его фактор обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF), Cdc24 и его Белки, активирующие ГТФазу (Пробелы). Локализация Cdc42 дополнительно регулируется с помощью вопросов клеточного цикла и ряда партнеров по связыванию. [8]

Короче говоря, установление полярности или нарушение симметрии в этом контексте является первым шагом для установления полярности клеток и, следовательно, деления клеток. Самопроизвольное нарушение симметрии - пример явления самоорганизации в живых клетках.

Недавнее исследование, чтобы выяснить связь между временем клеточного цикла и Cdc42 накопление в бутоне сайт использует оптогенетика контролировать локализацию белка с помощью света.[9]

Кроме того, используя экспериментальная эволюция, функция и устойчивость установления полярности дрожжей были изучены.[10]

Установление полярности у дрожжей обсуждается Irazoqui and Lew (2004).[11]

Развитие позвоночных

Смотрите также: Эмбриогенез и Эмбриональное развитие

Тела позвоночных животных асимметричны по трем осям: передне-задний (голова к хвосту), дорсально-вентральный (позвоночник к животу) и слева направо (например, наше сердце находится слева от нашего тела). Эти полярности возникают внутри развивающегося эмбриона в результате сочетания нескольких процессов: 1) асимметричное деление клеток, в котором две дочерние клетки получают разное количество клеточного материала (например, мРНК, белки), 2) асимметричная локализация определенных белков или РНК внутри клеток (которая часто опосредуется цитоскелетом), 3) градиенты концентрации секретируемых белков по всему эмбриону Такие как Wnt, Узловой, и Костные морфогенные белки (BMP) и 4) дифференциальная экспрессия мембранных рецепторов и лигандов, которые вызывают латеральное ингибирование, при котором экспрессирующая рецептор клетка принимает одну судьбу, а ее соседи - другую.[12][13]

Помимо определения асимметричных осей во взрослом организме, полярность клеток 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

Полярность клеток возникает в первую очередь за счет локализации определенных белков в определенных областях клеточной мембраны. Эта локализация часто требует как привлечения цитоплазматических белков к клеточной мембране, так и поляризованного транспорт везикул вдоль цитоскелет филаментов для доставки трансмембранных белков из аппарат Гольджи. Многие молекулы, ответственные за регуляцию клеточной полярности, консервативны для разных типов клеток и для всех видов многоклеточных. Примеры включают комплекс PAR (Cdc42, PAR3 / ASIP, PAR6, атипичный протеинкиназа C ),[14][15] Комплекс крошек (Crb, PALS, PATJ, Lin7) и комплекс Scribble (Scrib, Dlg, Lgl).[16] 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 боковой мембраны.[17] Вместе с группой сигнальных молекул, называемых Rho GTPases эти комплексы полярности могут регулировать транспорт везикул, а также контролировать локализацию цитоплазматических белков, прежде всего, регулируя фосфорилирование фосфолипидов, называемых фосфоинозитиды. Фосфоинозитиды служат местами стыковки белков на клеточной мембране, и их состояние фосфорилирования определяет, какие белки могут связываться.[18]

Установление полярности

Хотя многие из белков ключевой полярности хорошо законсервированы, существуют разные механизмы для установления клеточной полярности в разных типах клеток. Здесь можно выделить два основных класса: клетки, способные спонтанно поляризоваться, и клетки, которые устанавливают полярность на основе внутренних или внешних сигналов.[19]

Спонтанное нарушение симметрии можно объяснить усилением стохастических флуктуаций молекул из-за нелинейной химической кинетики. Математическая основа этого биологического явления была установлена Алан Тьюринг в его статье 1953 г. 'Химическая основа морфогенеза '.[20] В то время как Тьюринг первоначально пытался объяснить формирование паттерна в многоклеточной системе, аналогичные механизмы также могут быть применены к формированию внутриклеточного паттерна.[21] Вкратце, если сеть, по крайней мере, из двух взаимодействующих химических веществ (в данном случае белков) демонстрирует определенные типы кинетики реакции, а также дифференциальную диффузию, стохастические флуктуации концентрации могут привести к формированию крупномасштабных стабильных структур, таким образом, переход от от молекулярной длины до клеточного или даже тканевого.

Ярким примером второго типа установления полярности, основанного на внеклеточных или внутриклеточных сигналах, является C. elegans зигота. Здесь взаимное ингибирование между двумя наборами белков направляет установление и поддержание полярности. С одной стороны, PAR-3, PAR-6 и aPKC (называемые передними белками PAR) занимают как плазматическую мембрану, так и цитоплазму до нарушения симметрии. PAR-1, специфический для C. elegans белок, содержащий безымянный палец PAR-2, и LGL-1 (называемые задними белками PAR) присутствуют в основном в цитоплазме.[22] Мужская центросома обеспечивает сигнал, который нарушает изначально гомогенное мембранное распределение передних PAR, индуцируя кортикальные потоки. Считается, что они адвектируют передние PAR к одной стороне клетки, позволяя задним PAR связываться с другим полюсом (задним).[23][24] Затем передний и задний белки PAR сохраняют полярность до цитокинеза, взаимно исключая друг друга из соответствующих областей клеточной мембраны.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Альтшулер, Стивен Дж .; Angenent, Sigurd B .; Ван, Яньцинь; Ву, Лани Ф. (август 2008 г.). «О самопроизвольном возникновении полярности клеток». Природа. 454 (7206): 886–889. Дои:10.1038 / природа07119. ISSN  1476-4687. ЧВК  2562338. PMID  18704086.
  2. ^ 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. ЧВК  3501338. PMID  19560358.
  3. ^ Расбанд, Мэтью Н. (август 2010). «Начальный сегмент аксона и поддержание полярности нейронов». Обзоры природы Неврология. 11 (8): 552–562. Дои:10.1038 / nrn2852. PMID  20631711.
  4. ^ Ридли, Энн Дж .; Schwartz, Martin A .; Берридж, Кит; Фиртель, Ричард А .; Гинзберг, Марк Х .; Борисы, Гэри; Парсонс, Дж. Томас; Хорвиц, Алан Рик (5 декабря 2003 г.). «Миграция ячеек: интеграция сигналов спереди назад». Наука. 302 (5651): 1704–1709. Дои:10.1126 / science.1092053. PMID  14657486.
  5. ^ Фридл, Питер; Волк, Катарина (май 2003 г.). «Инвазия и миграция опухолевых клеток: разнообразие и механизмы бегства». Обзоры природы Рак. 3 (5): 362–374. Дои:10.1038 / nrc1075. PMID  12724734.
  6. ^ Васен, Густаво; Дунаевич, Паула; Колман-Лернер, Алехандро (09.05.2020). «Митотические и феромон-специфичные внутренние сигналы поляризации мешают градиентному зондированию у Saccharomyces cerevisiae». Proc Natl Acad Sci USA. 117 (12): 6580–6589. Дои:10.1073 / пнас.1912505117. PMID  32152126.
  7. ^ Ведлих-Зольднер, Роланд; Ли, Ронг (2003-04-01). «Спонтанная поляризация клеток: подрыв детерминизма». Природа клеточной биологии. 5 (4): 267–270. Дои:10.1038 / ncb0403-267. PMID  12669070.
  8. ^ Irazoqui, Javier E .; Лью, Дэниел Дж. (2004-05-01). «Установление полярности в дрожжах». Журнал клеточной науки. 117 (11): 2169–2171. Дои:10.1242 / jcs.00953. ISSN  0021-9533. PMID  15126618.
  9. ^ Витте, Кристен; Стрикленд, Девин; Глотцер, Майкл (2017-07-06). «Вход в клеточный цикл вызывает переключение между двумя режимами активации Cdc42 во время поляризации дрожжей». eLife. 6. Дои:10.7554 / eLife.26722. ISSN  2050-084X. ЧВК  5536948. PMID  28682236.
  10. ^ Laan, Liedewij; Кошванес, Джон Х; Мюррей, Эндрю В. (01.10.2015). «Эволюционная адаптация после нарушения поляризации клеток следует воспроизводимым траекториям». eLife. 4. Дои:10.7554 / eLife.09638. ISSN  2050-084X. ЧВК  4630673. PMID  26426479.
  11. ^ http://jcs.biologies.org/content/117/11/2169
  12. ^ Хашимото, 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. PMID  20439159.
  13. ^ Джонстон, Дэниел-стрит; Аринджер, 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. PMID  20510924.
  14. ^ Идзуми Ю., Хиросе Т., Тамай Ю., Хираи С., Нагашима Ю., Фудзимото Т., Табусе И., Кемфуэс К.Дж., Оно С. (октябрь 1998 г.). "Атипичная PKC напрямую ассоциируется и колокализуется в эпителиальном плотном стыке с ASIP, гомологом млекопитающих Caenorhabditis elegans Белок полярности PAR-3 ". J Cell Biol. 143 (1): 95–106. Дои:10.1083 / jcb.143.1.95. ЧВК  2132825. PMID  9763423.
  15. ^ Tabuse Y, Izumi Y, Piano F, Kemphues KJ, Miwa J, Ohno S (сентябрь 1998 г.). «Атипичная протеинкиназа C кооперируется с PAR-3 для установления эмбриональной полярности у Caenorhabditis elegans». Разработка. 125 (18): 3607–3614. PMID  9716526.
  16. ^ Брайант, Дэвид М .; Мостов, Кейт Э. (ноябрь 2008 г.). «От клеток к органам: построение поляризованной ткани». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 9 (11): 887–901. Дои:10.1038 / nrm2523. ЧВК  2921794. PMID  18946477.
  17. ^ Джонстон, Дэниел-стрит; Аринджер, 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. PMID  20510924.
  18. ^ Орландо, Келли; Го, Вэй (ноябрь 2009 г.). «Организация и динамика в клеточной полярности». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 1 (5): a001321. Дои:10.1101 / cshperspect.a001321. ЧВК  2773647. PMID  20066116.
  19. ^ Ведлих-Зольднер, Роланд; Ли, Ронг (2003-04-01). «Спонтанная поляризация клеток: подрыв детерминизма». Природа клеточной биологии. 5 (4): 267–270. Дои:10.1038 / ncb0403-267. PMID  12669070.
  20. ^ Тьюринг, А. М .; С., Ф. Р. (1952-08-14). «Химические основы морфогенеза». Фил. Пер. R. Soc. Лондон. B. 237 (641): 37–72. Дои:10.1098 / рстб.1952.0012. ISSN  0080-4622.
  21. ^ Gierer, A .; Мейнхардт, Х. (1972-12-01). «Теория формирования биологического паттерна». Кибернетик. 12 (1): 30–39. Дои:10.1007 / BF00289234. ISSN  0023-5946. PMID  4663624.
  22. ^ «Асимметричное деление клеток и формирование осей в эмбрионе». www.wormbook.org. Получено 2018-04-06.
  23. ^ Манро, Эдвин; Нэнси, Джереми; Присс, Джеймс Р. (2004-09-01). «Кортикальные потоки, обеспечиваемые асимметричным сокращением транспортных белков PAR для установления и поддержания передне-задней полярности в раннем эмбрионе C. elegans». Клетка развития. 7 (3): 413–424. Дои:10.1016 / j.devcel.2004.08.001. ISSN  1534-5807. PMID  15363415.
  24. ^ 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 адвективным запуском системы формирования рисунка". Наука. 334 (6059): 1137–1141. Дои:10.1126 / science.1208619. HDL:10261/80314. ISSN  0036-8075. PMID  22021673.