Межклеточное взаимодействие относится к прямым взаимодействиям между клеточными поверхностями, которые играют решающую роль в развитии и функционировании многоклеточных организмов. Эти взаимодействия позволяют клеткам общаться друг с другом в ответ на изменения в их микросреде. Эта способность посылать и получать сигналы важна для выживания клетки. Взаимодействия между клетками могут быть стабильными, например, через соединения клеток . Эти соединения участвуют в коммуникации и организации клеток в конкретной ткани. Другие являются временными или временными, например, между клетками иммунной системы или взаимодействиями в тканях.воспаление . Эти типы межклеточных взаимодействий отличаются от других типов, например, между клетками и внеклеточным матриксом . Нарушение связи между клетками может привести к неконтролируемому росту клеток и раку.
Стабильные взаимодействия
Стабильные межклеточные взаимодействия необходимы для клеточной адгезии в ткани и контроля формы и функции клеток. [1] Эти стабильные взаимодействия включают соединения клеток, которые представляют собой мультибелковые комплексы, обеспечивающие контакт между соседними клетками. Клеточные соединения обеспечивают сохранение и правильное функционирование слоев эпителиальных клеток . Эти соединения также важны в организации тканей, где клетки одного типа могут прикрепляться только к клеткам одной и той же ткани, а не к другой ткани. [2]
Узкие стыки
Плотные соединения представляют собой мультибелковые комплексы, которые удерживают вместе клетки одной ткани и предотвращают перемещение воды и водорастворимых молекул между клетками. В эпителиальных клетках они также разделяют внеклеточную жидкость, окружающую их апикальную и базолатеральную мембраны. [1] Эти соединения существуют как непрерывная полоса, расположенная чуть ниже апикальной поверхности между мембранами соседних эпителиальных клеток. Плотные соединения соседних клеток выстраиваются в линию, образуя уплотнение между различными тканями и полостями тела. Например, апикальная поверхность эпителиальных клеток желудочно-кишечного тракта служит селективным проницаемым барьером, отделяющим внешнюю среду от тела. [3] Проницаемость этих соединений зависит от множества факторов, включая белковый состав этого соединения, тип ткани и передачу сигналов от клеток. [1]
Плотные соединения состоят из множества разных белков. Четыре основных трансмембранных белка - это окклюдин , клаудин , соединительные молекулы адгезии (JAM) и трицеллюлины . Внеклеточные домены этих белков образуют барьер плотных соединений, обеспечивая гомофильные (между белками одного вида) и гетерофильные взаимодействия (между разными типами белков) с белковыми доменами на соседних клетках. Их цитоплазматические домены взаимодействуют с цитоскелетом клетки, чтобы закрепить их. [3]
Анкерные соединения
Из трех типов якорных соединений только два участвуют во взаимодействиях между клетками: адгезивные соединения и десмосомы . Оба находятся во многих типах клеток. Соседние эпителиальные клетки соединены сращениями на своих боковых мембранах. Они расположены чуть ниже плотных стыков. Их функция - придавать форму и напряжение клеткам и тканям, а также они являются местом передачи сигналов между клетками. Адгезивные соединения состоят из молекул клеточной адгезии из семейства кадгеринов . Существует более 100 типов кадгеринов, соответствующих множеству различных типов клеток и тканей с различными потребностями в закреплении. Наиболее распространены E-, N- и P-кадгерины. В адгезивных соединениях эпителиальных клеток E-кадгерин является наиболее распространенным. [1]
Десмосомы также обеспечивают прочность и долговечность клеток и тканей и расположены чуть ниже сращений. Они являются участками адгезии и не окружают клетку. Они состоят из двух специализированных кадгеринов, десмоглеина и десмоколлина . Эти белки имеют внеклеточные домены, которые взаимодействуют друг с другом на соседних клетках. На цитоплазматической стороне плакины образуют бляшки, которые прикрепляют десмосомы к промежуточным филаментам, состоящим из кератиновых белков. Десмосомы также играют роль в передаче сигналов между клетками. [4]
Щелевые соединения
Щелевые соединения являются основным местом передачи сигналов или коммуникации между клетками, что позволяет небольшим молекулам диффундировать между соседними клетками. У позвоночных щелевые соединения состоят из трансмембранных белков, называемых коннексинами . Они образуют гексагональные поры или каналы, через которые могут проходить ионы, сахара и другие небольшие молекулы. Каждая пора состоит из 12 молекул коннексина; 6 образуют полуканал на одной клеточной мембране и взаимодействуют с полуканалом на соседней клеточной мембране. Проницаемость этих переходов регулируется многими факторами, включая pH и концентрацию Ca 2+ . [1]
Рецепторные белки в передаче сигналов при прямом контакте
Рецепторные белки на поверхности клетки обладают способностью связывать специфические сигнальные молекулы, секретируемые другими клетками. Передача клеточных сигналов позволяет клеткам связываться с соседними клетками, соседними клетками ( паракринными ) и даже отдаленными клетками ( эндокринными ). Это связывание вызывает конформационное изменение рецептора, которое, в свою очередь, вызывает ответ в соответствующей клетке. Эти ответы включают изменения в экспрессии генов и изменения в структуре цитоскелета . Внеклеточная поверхность плазматической мембраны содержит множество белков , углеводов и липидов, которые выступают наружу и действуют как сигналы. Прямой контакт между клетками позволяет рецепторам одной клетки связывать небольшие молекулы, прикрепленные к плазматической мембране другой клетки. У эукариот многие клетки на раннем этапе развития общаются посредством прямого контакта. [5]
Синаптическая передача сигналов , неотъемлемая часть деятельности нервной системы , происходит между нейронами и клетками-мишенями. Эти клетки-мишени также могут быть нейронами или клетками других типов (например, мышечными клетками или клетками железы ). Протокадгерины , член семейства кадгеринов , опосредуют адгезию нейронов к их клеткам-мишеням в синапсах, также известных как синаптические соединения. Для того , чтобы для связи , чтобы иметь место между нейроном и его целевой клетки, волна деполяризации путешествует длина нейронов и вызывает нейротрансмиттеров , которые будут выпущены в синапсах. Эти нейротрансмиттеры связываются и активируют рецепторы на постсинаптическом нейроне, тем самым передавая сигнал к клетке-мишени. Таким образом, постсинаптическая мембрана принадлежит мембране, принимающей сигнал, а пресинаптическая мембрана является источником нейромедиатора. В нервно-мышечном соединении между двигательным нейроном и мышечными волокнами образуется синапс . В позвоночных , ацетилхолин высвобождается из двигательных нейронов действует как нейротрансмиттер , который деполяризует мышечные волокна и вызывает мышечное сокращение . Способность нейрона получать и интегрировать одновременные сигналы от окружающей среды и других нейронов позволяет комбинированно животное поведение . [6]
Взаимодействие растительной клетки с клеткой
Растительные клетки окружены клеточными стенками, которые являются барьерами для межклеточной коммуникации. Этот барьер преодолевают специализированные соединения, называемые плазмодесмами . Они похожи на щелевые соединения, соединяющие цитозоль соседних клеток. Небольшие молекулы (<1000 Да), такие как ионы, аминокислоты и сахара, могут свободно диффундировать через плазмодесмы. Эти небольшие молекулы включают сигнальную молекулу и факторы транскрипции . Размер канала также регулируется, чтобы позволить молекулам размером до 10 000 Да. Проницаемость этих каналов зависит от многих факторов, включая концентрацию Ca2 +. Увеличение концентрации Ca2 + в цитозоле обратимо ограничивает прохождение через плазмодесмы. В отличие от щелевых соединений, клеточные мембраны соседних ячеек сливаются, образуя непрерывный канал, называемый кольцом. Кроме того, внутри канала есть расширение эндоплазматического ретикулума , называемое десмотрубочкой , которое простирается между клетками. Межклеточные взаимодействия, которым способствуют плазмодесматы, играют важную роль в развитии клеток и тканей растений и защите от вирусной инфекции. [1]
Временные взаимодействия
Иммунная система
Лейкоциты или лейкоциты разрушают аномальные клетки, а также обеспечивают защиту от бактерий и других инородных тел. Эти взаимодействия носят временный характер, но имеют решающее значение для немедленного иммунного ответа. Чтобы бороться с инфекцией, лейкоциты должны переместиться из крови в пораженные ткани. Это движение в ткани называется экстравазацией . Это требует последовательного формирования и разрыва межклеточных взаимодействий между лейкоцитами и эндотелиальными клетками, выстилающими кровеносные сосуды. Эти межклеточные взаимодействия опосредуются в основном группой молекул клеточной адгезии (CAM), называемой селектинами. [1]
Т-хелперные клетки , центральные для иммунной системы, взаимодействуют с другими лейкоцитами, высвобождая сигналы, известные как цитокины, которые активируют и стимулируют пролиферацию В-клеток и Т-клеток-киллеров . Т-хелперные клетки также напрямую взаимодействуют с макрофагами , клетками, которые поглощают инородные тела и отображают антигены на своей поверхности. Т-хелперные клетки, обладающие соответствующими рецепторами, могут связываться с этими антигенами и пролиферировать, в результате чего Т-хелперные клетки обладают способностью идентифицировать те же антигены. [7]
Коагуляция
Коагуляция или свертывание крови зависит, помимо производства фибрина , от взаимодействия между тромбоцитами . Когда эндотелий или слизистая оболочка кровеносного сосуда повреждены, соединительная ткань, включая волокна коллагена, обнажается локально. Первоначально тромбоциты прикрепляются к обнаженной соединительной ткани через специфические рецепторы клеточной поверхности. За этим следует активация и агрегация тромбоцитов, при которой тромбоциты прочно прикрепляются и выделяют химические вещества, которые привлекают соседние тромбоциты к месту повреждения сосуда. Затем вокруг этой агрегации тромбоцитов образуется сеть из фибрина, повышающая прочность сгустка. [8]
Клеточные взаимодействия между бактериями
Популяции бактерий взаимодействуют аналогично клеткам ткани. Они общаются посредством физических взаимодействий и сигнальных молекул, таких как лактоны и пептиды гомосерина, как средство контроля метаболизма и регулирования роста. Распространенным примером и одной из наиболее изученных форм взаимодействия бактериальных клеток является биопленка. Биопленка - это клеточный агрегат, который может прикрепляться к биологическим или абиотическим поверхностям. Бактерии образуют биопленки для адаптации к различным условиям окружающей среды, например к изменениям в доступности субстрата. Например, образование биопленки увеличивает устойчивость бактериальной клетки к антибиотикам по сравнению с клетками, которые не являются частью совокупности. [9]
Патологические последствия
Рак
Рак может возникнуть в результате потери межклеточного взаимодействия. В нормальных клетках рост контролируется контактным ингибированием, при котором контакт с соседними клетками вызывает остановку роста клеток. Считается, что контактное ингибирование опосредуется кадгеринами , белками, которые играют важную роль в клеточной адгезии . Это ингибирование предотвращает накопление клеток друг на друге и образование холмиков. Однако в раковых клетках, где экспрессия E-кадгерина потеряна, контактное ингибирование теряется и приводит к неконтролируемому росту или пролиферации, образованию опухоли и метастазированию . [10]
Бактериальные возбудители
Чтобы патогенные бактерии вторглись в клетку, необходима связь с клеткой-хозяином. Первым шагом к проникновению бактерий обычно является адгезия к клеткам-хозяевам. Сильная фиксация - характеристика, определяющая вирулентность , - предотвращает вымывание бактерий до того, как возникнет инфекция . Бактериальные клетки могут связываться со многими поверхностными структурами клетки-хозяина, такими как гликолипиды и гликопротеины, которые служат рецепторами прикрепления. После присоединения бактерии начинают взаимодействовать с хозяином, нарушая его нормальное функционирование и разрушая или перестраивая его цитоскелет. Белки на поверхности бактерий могут взаимодействовать с белковыми рецепторами хозяина, тем самым влияя на передачу сигнала внутри клетки. Изменения в передаче сигналов благоприятны для бактерий, потому что эти изменения создают условия, при которых патоген может вторгнуться. Многие патогены имеют системы секреции типа III, которые могут напрямую вводить белковые токсины в клетки-хозяева. Эти токсины в конечном итоге приводят к перестройке цитоскелета и проникновению бактерий. [11]
Болезнь
Межклеточные взаимодействия очень специфичны и жестко регулируются. Генетические дефекты и нарушение регуляции этих взаимодействий могут вызывать множество различных заболеваний. Нарушение регуляции, которое приводит к миграции лейкоцитов в здоровые ткани, может вызывать такие состояния, как острый респираторный дистресс-синдром и некоторые типы артрита . [12] Аутоиммунное заболевание вульгарная пузырчатка возникает в результате аутоантител к десмоглеину и другим нормальным белкам организма. Аутоантитела нарушают адгезию между эпителиальными клетками. Это вызывает волдыри на коже и слизистых оболочках. Мутации в генах коннексина вызывают 8 заболеваний человека, включая пороки развития сердца и нейросенсорную глухоту. [1]
Рекомендации
- ^ Б с д е е г ч Харви Лодиш (2008). Молекулярная клеточная биология (6-е [2-е изд.] Изд.). Нью-Йорк [ua]: Фриман. ISBN 9780716776017.
- ^ Хаусман, Джеффри М. Купер, Роберт Э. (2009). Клетка: молекулярный подход (5-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 978-0-87893-300-6.
- ^ а б Suzuki T (февраль 2013 г.). «Регулирование проницаемости кишечного эпителия плотными контактами». Клетка. Мол. Life Sci . 70 (4): 631–59. DOI : 10.1007 / s00018-012-1070-х . PMID 22782113 .
- ^ Дубаш А.Д .; Грин, KJ (26 июля 2011 г.). «Десмосомы». Текущая биология . 21 (14): R529–31. DOI : 10.1016 / j.cub.2011.04.035 . PMID 21783027 .
- ^ Мюррей П. Пендарвис; Мадер, Сильвия С. (2007). Биология . Бостон: Высшее образование Макгроу-Хилла. ISBN 978-0-07-246463-4.
- ^ Ву Х, Сюн У., Мэй Л. (апрель 2010 г.). «Чтобы построить синапс: сигнальные пути в сборке нервно-мышечных соединений» . Развитие . 137 (7): 1017–33. DOI : 10.1242 / dev.038711 . PMC 2835321 . PMID 20215342 .
- ^ Брюс Альбертс (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк [укр.]: Гарланд. ISBN 0-8153-4072-9.
- ^ Энгельманн Б., Массберг С. (январь 2013 г.). «Тромбоз как внутрисосудистый эффектор врожденного иммунитета». Nat. Rev. Immunol . 13 (1): 34–45. DOI : 10.1038 / nri3345 . PMID 23222502 .
- ^ Волошин С.А., Капрелянц А.С. (ноябрь 2004 г.). «Межклеточные взаимодействия в бактериальных популяциях». Биохимия Моск . 69 (11): 1268–75. DOI : 10.1007 / s10541-005-0072-9 . PMID 15627380 .
- ^ Мэр, R; Кармона-Фонтейн, К. (июнь 2010 г.). «Поддержание связи с контактным торможением передвижения» . Тенденции в клеточной биологии . 20 (6): 319–28. DOI : 10.1016 / j.tcb.2010.03.005 . PMC 2927909 . PMID 20399659 .
- ^ Лу Л., Уокер В.А. (июнь 2001 г.). «Патологические и физиологические взаимодействия бактерий с эпителием желудочно-кишечного тракта» . Являюсь. J. Clin. Nutr . 73 (6): 1124С – 1130С. DOI : 10.1093 / ajcn / 73.6.1124S . PMID 11393190 .
- ^ Бурдик MM, Маккарти OJ, Jadhav S, Konstantopoulos K (2001). «Межклеточные взаимодействия при воспалении и метастазировании рака». IEEE Eng Med Biol Mag . 20 (3): 86–91. DOI : 10.1109 / 51.932731 . PMID 11446216 .