Полярность ячейки - Cell polarity
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. Классические примеры поляризованных клеток описаны ниже, 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 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.
Примеры поляризованных ячеек
Эпителиальные клетки
Эпителиальные клетки прикрепляются друг к другу через плотные соединения , десмосомы и адгезивные соединения , образуя слои клеток, выстилающие 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 просветом внутренних полостей, и базолатеральной мембраной, ориентированной от просвета. Базолатеральная мембрана относится как к латеральной мембране, где соединения между клетками соединяют соседние клетки, так и к базальной мембране, где клетки прикрепляются к базальной мембране , тонкому слою белков внеклеточного матрикса, который отделяет эпителиальный лист от подлежащих клеток и соединительной ткани . Эпителиальные клетки также демонстрируют плоскую клеточную полярность , при которой специализированные структуры ориентированы в плоскости эпителиального листа. Некоторые примеры плоской полярности клеток включают чешую рыб, 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. .
Нейроны
Нейрон получает сигналы от соседних клеток через разветвленные клеточные отростки, называемые дендритами . Затем нейрон передает электрический сигнал по специализированному удлинению аксона от базального полюса к синапсу, где высвобождаются нейротрансмиттеры 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.
Мигрирующие клетки
Многие типы клеток, такие как лейкоциты и фибробласты , способны к миграции, и для того, чтобы эти клетки двигались в одном направлении, они должны иметь определенную переднюю и заднюю части. В передней части клетки находится передний край, который часто определяется плоской волнистостью клеточной мембраны, называемой ламеллиподиумом, или тонкими выступами, называемыми филоподиями . Здесь полимеризация актина в направлении миграции позволяет клеткам расширять передний край клетки и прикрепляться к поверхности. В задней части клетки адгезии разбираются, и пучки актиновых микрофиламентов , называемые стрессорными 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.
Бутоновые дрожжи
Почкующиеся дрожжи, Saccharomyces cerevisiae , представляют 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 отпочкования или участка Rax1 в проекциях спаривания. В отсутствие ориентиров полярности (например, в мутантах с делецией генов) клетки могут выполнять спонтанное нарушение симметрии , при котором расположение сайта полярности определяется случайным образом. Спонтанная поляризация по-прежнему генерирует только один участок зародыша, что объясняется положительной обратной связью, увеличивая концентрации белков полярности локально на самом большом участке полярности, в то время как глобально снижая полярность белков 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 ГТФазы Rop у растений и малые ГТФазы у прокариот. Для формирования сайтов полярности Cdc42 должен присутствовать и быть способным к циклическому GTP, процессу, регулируемому 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. Недавнее исследование для выяснения связи между временем клеточного цикла и накоплением Cdc42 в зачатке использует оптогенетику для контроля локализации белков с помощью света. Во время спаривания эти участки полярности могут перемещаться. Математическое моделирование в сочетании с экспериментами по визуализации предполагает, что перемещение опосредуется актиновой доставкой пузырьков.
Развитие позвоночных
Тела позвоночных животных асимметричны по трем осям: передне-заднему (голова к хвосту), дорсально-вентральному (позвоночник к животу) и лево-правому (например, наше сердце находится слева от нашего тела). Эти полярности возникают внутри развивающегося эмбриона в результате комбинации нескольких процессов: 1) асимметричного деления клеток , при котором две дочерние клетки получают разное количество клеточного материала (например, мРНК, белков), 2) асимметричной локализации определенных белков или РНК внутри клеток ( который часто опосредуется цитоскелетом), 3) градиенты концентрации секретируемых белков в эмбрионе, таких как Wnt , Nodal и Bone Morphogenic Proteins (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.
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 из-за локализации определенных белков в определенных областях клеточной мембраны. Эта локализация часто требует как рекрутирования цитоплазматических белков на клеточную мембрану, так и транспорта поляризованных пузырьков по филаментам цитоскелета для доставки трансмембранных белков из аппарата Гольджи . Многие молекулы, ответственные за регуляцию клеточной полярности, сохраняются в разных типах клеток и во всех видах многоклеточных животных. Примеры включают комплекс PAR ( Cdc42 , PAR3 / ASIP, PAR6, атипичная протеинкиназа C ), комплекс Crumbs (Crb, PALS, PATJ, Lin7) и комплекс Scribble (Scrib, Dlg, Lgl). 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. 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 фосфоинозитидами . Фосфоинозитиды служат местами стыковки белков на клеточной мембране, и их состояние фосфорилирования определяет, какие белки могут связываться.
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: (1) клетки, которые способны спонтанно поляризоваться, и (2) клетки, которые устанавливают полярность на основе внутренних или внешних сигналов.
Спонтанное нарушение симметрии можно объяснить усилением стохастических флуктуаций молекул из-за нелинейной химической кинетики. Математическая основа этого биологического явления была установлена Аланом Тьюрингом в его статье 1953 года «Химические основы морфогенеза» . Хотя Тьюринг первоначально пытался объяснить формирование паттерна в многоклеточной системе, аналогичные механизмы также могут быть применены к формированию внутриклеточного паттерна. 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 перекрывая друг друга. от молекулярной шкалы до клеточного или даже тканевого масштаба.
Ярким примером второго типа установления полярности, который опирается на внеклеточные или внутриклеточные сигналы, является зигота C. elegans . 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. 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). Затем передний и задний белки PAR сохраняют полярность до цитокинеза, взаимно исключая друг друга из соответствующих областей клеточной мембраны.