Миграция клеток - центральный процесс в развитии и поддержании многоклеточных организмов . Формирование ткани во время эмбрионального развития , заживление ран и иммунные реакции - все это требует согласованного движения клеток в определенных направлениях в определенные места. Клетки часто мигрируют в ответ на определенные внешние сигналы, включая химические сигналы и механические сигналы . [1] Ошибки во время этого процесса имеют серьезные последствия, включая умственную отсталость , сосудистые заболевания , образование опухолей и метастазирование.. Понимание механизма миграции клеток может привести к разработке новых терапевтических стратегий для контроля, например, инвазивных опухолевых клеток.
Из-за высоковязкой среды (низкое 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 реснички для продвижения себя. Миграция эукариотических клеток обычно намного сложнее и может состоять из комбинации различных механизмов миграции. Обычно это связано с резкими изменениями формы клеток, которые вызваны цитоскелетом . 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 использовались в исследованиях и обучении. [4]
Исследования миграции клеток
Миграцию культивируемых клеток, прикрепленных к поверхности или в 3D, обычно изучают с помощью микроскопии . [5] [6] [3] Поскольку движение клеток очень медленное, для ускорения движения записывают видео с покадровой микроскопией мигрирующих клеток со скоростью несколько мкм / мин . Такие видео (рис. 1) показывают, что передний фронт клетки очень активен, с характерным поведением последовательных сокращений и расширений. Принято считать, что передний фронт - это главный двигатель, который тянет ячейку вперед.
Общие черты
Считается, что процессы, лежащие в основе миграции клеток млекопитающих, согласуются с процессами ( несерматозоической ) локомоции . [7] Общие наблюдения включают:
- смещение цитоплазмы на переднем крае (перед)
- ламинарное удаление скопившегося в дорсальной части мусора по направлению к задней кромке (назад)
Последняя особенность наиболее легко наблюдается, когда агрегаты поверхностной молекулы перекрестно сшиваются с флуоресцентным антителом или когда маленькие шарики искусственно связываются с передней частью клетки. [8]
Аналогичным образом мигрируют и другие эукариотические клетки. Амеба Dictyostelium discoideum полезна для исследователей, потому что она постоянно демонстрирует хемотаксис в ответ на циклический АМФ ; 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]
Молекулярные процессы миграции
Существует две основных 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 на переднем крае клетки происходит быстрая полимеризация актина . [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, цитоскелетные элементы способны широко и тесно взаимодействовать с плазматической мембраной клетки. [13]
Задняя кромка
Другие компоненты цитоскелета (например, микротрубочки) выполняют важные функции в миграции клеток. Было обнаружено, что микротрубочки действуют как «стойки», которые противодействуют сократительным силам, которые необходимы для ретракции заднего края во время движения клетки. Когда микротрубочки на заднем крае клетки динамичны, они способны ремоделироваться, чтобы обеспечить ретракцию. 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 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 эндоцитарного цикла . [16] Это привело к гипотезе о том, что расширение переднего края происходит в первую очередь за счет добавления мембраны в передней части клетки. Если это так, то актиновые филаменты, которые образуются 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 могла двигаться, необходимо принести вперед свежий запас «стоп» (белков, называемых интегринами , которые прикрепляют клетку к поверхности, по которой она ползет). Вероятно, что эти ножки эндоцитозируются по направлению к задней части клетки и перемещаются к передней части клетки посредством экзоцитоза, чтобы повторно использоваться для образования новых прикреплений к субстрату.
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, обладают способностью к независимой от адгезии миграции. Механистическая основа этого способа миграции менее понятна, чем ползание эукариотических клеток или плавание микроорганизмов на основе жгутиков. Физик Э.М. Перселл предположил, что в условиях гидродинамики с низким числом Рейнольдса , которые применяются в клеточном масштабе, обратный поверхностный поток может обеспечить механизм для микроскопических объектов, которые плывут вперед. [19] Спустя несколько десятилетий эта модель была экспериментально подтверждена с помощью оптогенетики . Было показано, что клетки, мигрирующие амебоидным образом без адгезии, демонстрируют поток плазматической мембраны в направлении задней части клетки, который может продвигать клетки путем приложения тангенциальных сил к окружающей жидкости. [18] [20] Поляризованный транспорт мембраносодержащих везикул от задней части клетки к передней помогает поддерживать размер клетки. [18] Обратный мембранный ток также наблюдался в клетках Dictyostelium discoideum . [21] Интересно, что миграция надклеточных кластеров также поддерживается аналогичным механизмом обратного поверхностного потока. [22]
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 микродоменов организует цитоскелет и его взаимодействие с субстратом. Поскольку микродомены запускают и поддерживают активную полимеризацию актиновых филаментов, их распространение и зигзагообразное движение на мембране генерируют 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 генерирует втягивание / взъерошивание мембраны, ретроградный поток и сократительные силы для поступательного движения. Наконец, постоянное воздействие на старые очаговые адгезии может привести к активации кальпаина, вызванной кальцием, и, следовательно, к отслоению очаговых спаек, завершающему цикл.
Полярность в мигрирующих клетках
Мигрирующие клетки имеют полярность - переднюю и заднюю. Без него они двигались бы сразу во всех направлениях, то есть распространялись. Как эта полярность формируется 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 приближается к более высокой концентрации стимулирующего химического вещества. Эта полярность отражается на молекулярном уровне ограничением определенных молекул определенными участками внутренней поверхности клетки . Таким образом, фосфолипид PIP3 и активированные Rac и CDC42 находятся в передней части клетки, тогда как Rho GTPase и PTEN находятся в задней части. [24] [25]
Считается, что нитчатые актины и микротрубочки важны для установления и поддержания полярности клетки. [ необходима цитата ] Лекарства, которые разрушают актиновые филаменты, обладают множественными и сложными эффектами, отражающими широкую роль, которую эти филаменты играют во многих клеточных процессах. Возможно, что в рамках локомоторного процесса мембранные везикулы транспортируются по этим филаментам 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 хемоаттрактантов, поскольку они воздействуют на специфические 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
Была создана область исследований под названием « обратные задачи клеточной подвижности». [27] [28] [23] Этот подход основан на идее, что изменения поведения или формы клетки несут информацию о лежащих в основе механизмах, которые генерируют 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 на местном уровне посредством анализа последовательностей изображений живых клеток и используют эту информацию для дальнейших выводов о молекулярных структурах, динамике и процессах внутри клетки, такие как актиновая сеть, микродомены, хемотаксис, адгезия и ретроградный ток.
Смотрите также
- Формирование крышки
- Хемотаксис
- Коллективная миграция клеток
- Дуротаксис
- Эндоцитарный цикл
- Мышиные модели метастазов рака груди
- Нейрофильный
- Белковая динамика
Рекомендации
- ^ Мак, М .; Разлив, F .; Роджер, К .; Заман, М. (2016). «Миграция одиночных клеток в сложных микросредах: механика и сигнальная динамика» . Журнал биомеханической инженерии . 138 (2): 021004. DOI : 10,1115 / 1,4032188 . PMC 4844084 . PMID 26639083 .
- ^ Huber, F; Шнаусс, Дж; Ренике, S; Rauch, P; Мюллер, К; Fuetterer, C; Каес, Дж (2013). «Возникающая сложность цитоскелета: от единичных нитей до ткани» . Успехи физики . 62 (1): 1–112. Bibcode : 2013AdPhy..62 .... 1H . DOI : 10.1080 / 00018732.2013.771509 . PMC 3985726 . PMID 24748680 . онлайн
- ^ 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 . DOI : 10.1371 / journal.pone.0110453 . ISSN 1932-6203 . PMC 4195729 . PMID 25310593 .
- ^ 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 образования . 45 (6): 475–482. DOI : 10.1002 / bmb.21071 . PMID 28627731 .
- ^ Дорманн, Дирк; Вейер, Корнелис Дж (2006-08-09). «Визуализация миграции клеток» . Журнал EMBO . 25 (15): 3480–3493. DOI : 10.1038 / sj.emboj.7601227 . ISSN 0261-4189 . PMC 1538568 . PMID 16900100 .
- ^ 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). DOI : 10.3791 / 3589 . ISSN 1940-087X . PMC 3369670 . PMID 22215133 .
- ^ "Что такое миграция ячеек?" . Шлюз миграции ячеек . Консорциум клеточной миграции. Архивировано из оригинального 22 октября 2014 года . Проверено 24 марта 2013 года .
- ^ 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. DOI : 10.1016 / 0014-4827 (70) 90570-7 . PMID 5531377 .
- ^ 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. DOI : 10.1016 / j.ejcb.2006.06.003 . ISSN 0171-9335 . PMID 16962888 .
- ^ Ван, Ю.Л. (1985). «Обмен субъединиц актина на переднем крае живых фибробластов: возможная роль беговой дорожки» . Журнал клеточной биологии . 101 (2): 597–602. DOI : 10,1083 / jcb.101.2.597 . PMC 2113673 . PMID 4040521 .
- ^ Mitchison, T; Крамер, LP (1996). «Актиновая клеточная подвижность и перемещение клеток». Cell . 84 (3): 371–9. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (00) 81281-7 . PMID 8608590 . S2CID 982415 .
- ^ Поллард, Томас Д; Борисы, Гэри G (2003). «Подвижность клеток, управляемая сборкой и разборкой актиновых нитей». Cell . 112 (4): 453–65. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (03) 00120-X . PMID 12600310 . S2CID 6887118 .
- ^ Доэрти, Гэри Дж .; МакМахон, Харви Т. (2008). «Посредничество, модуляция и последствия мембранно-цитоскелетных взаимодействий». Ежегодный обзор биофизики . 37 : 65–95. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.37.032807.125912 . PMID 18573073 .
- ^ 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. DOI : 10.1074 / jbc.M110.160820 . PMC 2952225 . PMID 20696757 .
- ^ а б в 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. DOI : 10.1074 / jbc.M112.423905 . PMC 3527923 . PMID 23135278 .
- ^ Бретчер, MS (1983). «Распределение рецепторов трансферрина и липопротеинов низкой плотности на поверхности гигантских клеток HeLa» . Труды Национальной академии наук . 80 (2): 454–8. Bibcode : 1983PNAS ... 80..454B . DOI : 10.1073 / pnas.80.2.454 . PMC 393396 . PMID 6300844 .
- ^ Бретчер, М. (1996). «Заставляя мембранный поток и цитоскелет взаимодействовать в движущихся клетках». Cell . 87 (4): 601–6. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (00) 81380-X . PMID 8929529 . S2CID 14776455 .
- ^ а б в О'Нил, Патрик; Кастильо-Бадильо, Жан; Мешик, Ксения; Кальянараман, Вани; Мельгареджо, Кристал; Гаутам, Н. (2018). «Мембранный поток управляет независимым от адгезии режимом миграции амебоидных клеток» . Клетка развития . 46 (1): 9–22. DOI : 10.1016 / j.devcel.2018.05.029 . PMC 6048972 . PMID 29937389 .
- ^ Перселл, EM (1977). «Жизнь при низком числе Рейнольдса». Американский журнал физики . 45 (3): 3–11. Bibcode : 1977AmJPh..45 .... 3P . DOI : 10.1119 / 1.10903 . hdl : 2433/226838 .
- ^ Белл, Джордж Р. Р.; Коллинз, Шон Р. (2018). « » Rho «ИНГ сотовой лодки с задним потоком мембраны» . Клетка развития . 46 (1): 1–3. DOI : 10.1016 / j.devcel.2018.06.008 . PMID 29974859 .
- ^ 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 : 2017NatSR ... 712970T . DOI : 10.1038 / s41598-017-13438-5 . PMC 5636814 . PMID 29021607 .
- ^ 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 : 2018Sci ... 362..339S . DOI : 10.1126 / science.aau3301 . PMC 6218007 . PMID 30337409 .
- ^ а б в Джошкун, Хасан; Чоскун, Хусейн. (Март 2011 г.). «Клеточный врач: чтение движения клеток. Метод математической диагностики посредством анализа движения отдельных клеток». Bull Math Biol . 73 (3): 658–82. DOI : 10.1007 / s11538-010-9580-х . PMID 20878250 . S2CID 37036941 .
- ^ Родитель, Калифорния; Девреотес, П. Н. (1999). "Чувство направления клетки". Наука . 284 (5415): 765–70. Bibcode : 1999Sci ... 284..765P . DOI : 10.1126 / science.284.5415.765 . PMID 10221901 .
- ^ Ридли, AJ; Шварц, Массачусетс; Берридж, К; Фиртель, РА; Гинзберг, MH; Борисы, Г; Парсонс, JT; Хорвиц, АР (2003). «Миграция клеток: интеграция сигналов спереди назад» . Наука . 302 (5651): 1704–9. Bibcode : 2003Sci ... 302.1704R . DOI : 10.1126 / science.1092053 . PMID 14657486 . S2CID 16029926 .
- ^ Meyer, AS; Хьюз-Олфорд, СК; Кей, Дж. Э .; Castillo, A .; Уэллс, А .; Gertler, FB; 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. DOI : 10,1083 / jcb.201201003 . PMC 3373410 . PMID 22665521 .
- ^ Чоскун, Хусейн. (2006). Математические модели подвижности амебоидных клеток и обратные задачи на основе моделей - через ProQuest.
- ^ 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 Theor Biol . 244 (2): 169–79. DOI : 10.1016 / j.jtbi.2006.07.025 . PMID 16997326 .
- ^ «Профилирование ячеек с помощью математики» . Математическая ассоциация Америки.
- ^ «Математики используют« профилирование »клеток для обнаружения аномалий, в том числе рака» . ScienceDaily.
Внешние ссылки
- Шлюз миграции ячеек Шлюз миграции ячеек - это всеобъемлющий и регулярно обновляемый ресурс по миграции ячеек.
- Цитоскелет и миграция клеток Экскурсия по изображениям и видеороликам, выполненным небольшой лабораторией СП в Зальцбурге и Вене