12.9: рухливість клітин

Існує ряд способів, за допомогою яких клітина може переміщатися з однієї точки простору в іншу. У рідкому середовищі цей метод може бути певним плаванням, використовуючи війковий або джгутиковий рух для просування клітини. На твердих поверхнях ці механізми явно не працюватимуть ефективно, і клітина проходить процес повзання. У цьому розділі ми почнемо з обговорення війкового/джгутикового руху, а потім розглянемо більш складні вимоги клітинного повзання.

Вії і джгутики, які відрізняються насамперед довжиною, а не конструкцією, - це органели на основі мікротрубочок, які рухаються вперед-назад рухом. Це означає «веслування» відносно короткими віями, але в довших джгутиках гнучкість структури змушує рух назад і вперед поширюватися як хвиля, тому рух джгутиків є більш хвилеподібним або хвилеподібним (розглянемо, що відбувається, коли ви швидко виляєте садовим шлангом з боку в бік в порівнянні з коротким шматком того ж шланга). Ядро будь-якої структури називається аксонемою, яка складається з 9 мікротрубочок дублетів, з'єднаних один з одним війковими руховими білками диненину, і оточують центральне ядро з двох окремих мікротрубочок.

Малюнок\(\PageIndex{16}\). Часткова (розрізна) схема аксонеми, центрального пучка вій і джгутиків.

Це відоме як утворення «9+2», хоча дев'ять дублетів не такі, як дві центральні мікротрубочки. Трубочка А - це повноцінні 13-протофіламенти, але злитий з ним канальець В містить всього 10 протофіламентов. Кожна з центральних мікротрубочок являє собою повні 13 протофіламентов. Аксонема 9+2 розширює довжину вії або джгутика від кінчика, поки він не досягне основи, і з'єднується з тілом клітини через базальне тіло, яке складається з 9 мікротрубочок трійок, розташованих у короткій бочці, подібно до центриолей, з яких вони походять.

Цей розділ відноситься тільки до еукаріотів. Деякі прокаріоти також мають рухливі придатки, звані джгутиками, але вони абсолютно різні як за будовою, так і за механізмом. Самі джгутики являють собою довгі спіральні полімери білкового джгутика, а основа волокон джгутиків з'єднана з обертальним моторним білком, а не поступальним двигуном. Цей двигун (рис.\(\PageIndex{18}\)) використовує іон (H ⁺ або Na ⁺ залежно від виду) вниз електрохімічний градієнт, щоб забезпечити енергію обертання до 100000 оборотів на хвилину. Вважається, що обертання приводиться в дію конформаційними змінами в кільці статора, розташованому в клітинній мембрані.

Малюнок\(\PageIndex{18}\). Бактерійний джгутик абсолютно відрізняється від еукаріотичних джгутиків. Він переміщується роторним двигуном, що приводиться в дію протоном або іоном Na ⁺ вниз по електрохімічному градієнту. Ілюстрація, випущена у суспільне надбання М.Р.

Війкові динеїни забезпечують рухову здатність, але в аксонемі також є два інших білків зв'язку. Існують нексини, які з'єднують А-трубочку одного дублета з В-канальцем його сусіднього дуплета, з'єднуючи таким чином зовнішнє кільце. І, є радіальні спиці, які простягаються від канальця А кожного дублета до центральної пари мікротрубочок в ядрі аксонеми. Жоден з них не має рухової активності. Однак вони мають вирішальне значення для руху вій і джгутиків, оскільки вони допомагають перетворити ковзний рух в рух згинання. Коли задіяний циліарний динеїн (дуже схожий на цитоплазматичні динеїни, але має три головки замість двох), він зв'язує мікротрубочку А з одного боку, мікротрубочку В з сусіднього дуплета і рухається одна відносно іншої. Лінія цих диненів, що рухаються в концерті, таким чином, ковзає один дуплет відносно іншого, якщо (і це велике «якщо») два дублянки мали повну свободу руху. Однак, оскільки дублети з'єднані між собою білками nexin, те, що відбувається, коли один дублет намагається ковзати, полягає в тому, що він згинає пов'язану структуру замість (рис.\(\PageIndex{17}\)). На цей вигин припадає гребний рух вій, які відносно короткі, а також збивання довгих джгутиків, які поширюють згинальний рух вниз по аксонемі.

Малюнок\(\PageIndex{17}\). Нексінові мости, що з'єднують сусідні дублети мікротрубочок, перетворюють ковзний рух, що генерується циліарним динеїном, в згинальний рух.

Хоча ми думаємо про війковий і джгутиковий рух як методи руху клітини, такі як джгутикове плавання сперми до яйцеклітини, є також ряд важливих місць, в яких клітина нерухома, і вії використовуються для переміщення рідини повз клітину. Насправді, є клітини з віями в більшості великих органів тіла. Повідомлялося про кілька циліарних дискінезій, з яких найбільш виражена, первинна циліарна дискінезія (PCD), що включає синдром Картагенера (KS), обумовлена мутацією гена DNAI1, який кодує субодиницю (проміжний ланцюг 1) аксонемного (війкового) динеїну. PCD характеризується респіраторним дистресом через рецидивуючу інфекцію, і діагноз КС ставиться, якщо є також situs inversus, стан, при якому нормальна асиметрія тіла зліва зліва (наприклад, шлунок зліва, печінка праворуч) зворотна. Перший симптом обумовлений бездіяльністю численних війок епітеліальних клітин в легенях. Їх нормальна функція - утримувати слиз в дихальних шляхах постійно в русі. Зазвичай слиз допомагає підтримувати легені вологими для полегшення функції, але якщо слиз стає нерухомим, вона стає живильним середовищем для бактерій, а також стає подразником і перешкодою для правильного газообміну.

Situs inversus - цікава вада розвитку, оскільки вона виникає в ембріональному розвитку, і вражає лише 50% пацієнтів з ПХД, оскільки порушення функції війки викликає рандомізацію ліво-правої асиметрії, а не розвороту. Говорячи дуже простою мовою, під час раннього ембріонального розвитку ліво-права асиметрія частково обумовлена рухом молекулярних сигналів в лівому ряду через ембріональний вузол. Цей перебіг викликаний скоординованим биттям вій, тому коли вони не працюють, потік порушується і відбувається рандомізація.

Інші симптоми хворих на ПХД також вказують на роботу вій і джгутиків в організмі. Чоловіче безпліддя поширене через нерухомих сперматозоїдів. Жіноче безпліддя, хоч і рідше, може виникати і через дисфункцію війок яйцевода і маткової труби, які в нормі переміщують яйцеклітину уздовж від яєчника до матки. Цікаво також низька асоціація гідроцефалії internus (переповнення шлуночків головного мозку спинномозковою рідиною, що викликає їх збільшення, яке стискає тканини мозку навколо них) з ПХД. Це, ймовірно, пов'язано з дисфункцією вій в епендимальних клітині, що вистилають шлуночки, і які допомагають циркулювати ліквору, але, мабуть, не є повністю необхідними. Оскільки, як вважається, об'ємний потік ліквору в першу чергу систоли/діастоли зміни артеріального тиску в мозку, деякі припускають, що вії можуть бути залучені в першу чергу через деякі з більш жорстких каналів в мозку.

Малюнок\(\PageIndex{19}\). Клітини повзають шляхом (а) розширення передньої кромки насамперед шляхом ремоделювання цитоскелета актину, (б) утворюючи нові адгезивні контакти на цьому передньому краї, випускаючи спайки ззаду, і (в) об'ємний внутрішній рух вперед, щоб «наздогнати» передню кромку.

Повзання клітин (рис.\(\PageIndex{19}\)) вимагає скоординованої перестановки мережі мікрофіламентів переднього краю, розширюючись (як полімеризацією, так і ковзними нитками), а потім утворюючи спайки в новій крайній точці вперед. Це може приймати форму філоподія або ламелліподії, а часто і те й інше одночасно. Філоподії являють собою довгі і дуже тонкі проекції з серцевими пучками паралельних мікрофіламентів і високими концентраціями рецепторів поверхні клітин. Їх призначення полягає в першу чергу в тому, щоб відчути навколишнє середовище. Ламеліподії часто поширюються між двома лоподіями і є більше широким рюшем, ніж палець. Внутрішньо актин утворює більше сіток, ніж пучки, а ширший край дозволяє зробити більше спайок до основи. Потім мікрофіламентна мережа знову перебудовується, на цей раз відкриваючи простір у цитоплазмі, який діє як канал для руху мікротрубочок до передньої частини клітини. Це ставить транспортну мережу на місці, щоб допомогти переміщати внутрішньоклітинний сипучий матеріал вперед. У міру цього вивільняються старі спайки на хвостовому кінці клітини. Це вивільнення може відбуватися через два первинних механізми: ендоцитоз рецептора або деактивація рецептора за допомогою сигналізації/конформаційної зміни. Звичайно, це спрощення суперечить складнощам у координації та контролі всіх цих дій для здійснення спрямованого руху клітини.

Одна з моделей генерації сили мікронитки, модель пружного броунівського храповика (Mogilner and Oster, 1996), передбачає, що завдяки броунівському руху клітинної мембрани, що виникає в результаті безперервного хвилинного теплового коливання, актинові нитки, що виштовхуються до країв мембрани, згинаються до різних градусів. Якщо гнучкість досить велика, новий мономер актину може поміститися між мембраною та кінчиком нитки, і коли тепер довша нитка згинається назад, вона може чинити більший поштовх на мембрану. Очевидно, що одна нитка не створює великої сили, але скоординоване розширення багатьох ниток може висунути мембрану вперед.

Після того, як клітина отримує сигнал для переміщення, початкова реакція цитоскелета полягає в полімеризації актину, побудови більшої кількості мікрофіламентів для включення в передній край. Залежно від сигналу (привабливий або відштовхуючий) полімеризація може відбуватися на одній або протилежній стороні клітини від точки активації сигнально-рецепторної. Важливо, що лише полімеризація нового f-актину може генерувати достатню силу для переміщення мембрани вперед, навіть без залучення моторів міозину! Моделі генерації сили обговорюються, але, як правило, починаються з включення нового g-актину в нитку на її кінчику; тобто на інтерфейсі нитка-мембрана. Навіть якщо цього технічно може бути достатньо, в живій клітині міозини беруть участь, і допомагають штовхати і розташовувати нитки спрямовано, щоб встановити новий передній край. Крім того, деякі нитки та мережі повинні бути швидко розірвані, і зроблені нові зв'язки, як між нитками, так і між нитками та іншими білками, такими як молекули адгезії або мікротрубочки.

Як контролюється полімеризація та перестановка актину? Рецептори, які сигналізують про рух клітин, можуть ініціювати дещо інші шляхи, але багато хто поділяють деякі спільності в активації одного або декількох членів RAS-сімейства малих GTPases. Ці сигнальні молекули, такі як Rac, Rho та cdc42, можуть бути активовані рецепторними тирозинкіназами (див. Шляхи активації RTK-Ras, глава 14). Кожен з них відіграє дещо іншу роль у рухливості клітин: активація cdc42 призводить до утворення філоподій, Rac активує шлях, який включає Arp2/3 та кофілін до утворення ламелліпідів, а Rho активує міозин II для контролю вогнищевої адгезії та формування стресових волокон. Інший тип рецепторного каскаду, каскад сигналізації G-білка (також глава 14), може призвести до активації ПЛК і подальшого розщеплення PIP ₂ і збільшення цитозольного Ca ²⁺. Ці зміни, як зазначалося раніше, можуть активувати також міозин II, а також ремоделюють ферменти гельзолін, кофілін і профілін. Це руйнує існуючі актинові структури, щоб зробити клітину більш рідкою, а також сприяючи більшій кількості g-актину, щоб сформувати новий цитоскелет переднього краю.

Експерименти in vitro показують, що, коли мембрана штовхає вперед, через молекули адгезії або рецептори, які зв'язують субстрат (часто слайди культури клітин або посуд покриті колагеном, філамініном або іншими білками позаклітинного матриксу). Потім контакти набирають цитоскелетні елементи для більшої стабільності, утворюючи вогнищеву адгезію (рис.\(\PageIndex{20}\)). Однак утворення вогнищевих спайок, здається, є артефактом культури клітин, і незрозуміло, чи типи спайок, що утворюються in vivo, набирають однакові типи цитоскелетних компонентів.

Малюнок\(\PageIndex{20}\). Вогнищеві спайки утворюються, коли інтегіни зв'язуються зі штучною поверхнею ECM в посудах культури клітин.

Третім кроком до пересування клітин є об'ємний рух клітинного вмісту вперед. Механізми цієї фази неясні, але є деякі докази того, що за допомогою зв'язків між цитоскелетом актину на передньому краї і передніми частинами цитоскелета мікротрубочок мікротрубочки перебудовуються, утворюючи ефективний транспортний шлях для об'ємного руху. Іншим аспектом цього може бути «корралірующий» ефект від актинових мереж, які спрямовано відкривають простір до переднього краю. Потім мікротрубочки потрапляють у цей простір легше, ніж працювати через щільну актинову сітку, змушуючи потік у правильному напрямку.

Значна частина роботи над взаємодією мікротрубочок і актину в рухливості клітин була виконана шляхом дослідження конуса росту нейронів, який іноді називають клітиною на повідку, оскільки він діє майже незалежно, як повзаюча клітина, шукаючи правильний шлях, щоб привести його аксон від клітинного тіла до його власне синаптичне з'єднання (A.W. Schaefer et al, Dev. Клітинка 15:146-62, 2008).

Нарешті, клітина повинна скасувати свої старі спайки на задньому краю. Це може відбуватися різними способами. У пробірці спостерігалося, що повзають клітини зривають себе з субстрату, залишаючи позаду крихітні шматочки мембрани та пов'язані з ними білки-адгезії в процесі. Сформована сила, як передбачається, надходить від стресових волокон актин-міозину, що ведуть від більш вперед фокальних спайок. Однак є менш руйнівні механізми, доступні клітинам. У деяких випадках адгезія клітинного рецептора до позаклітинного субстрату може регулюватися внутрішньо, можливо, шляхом фосфорилювання або дефосфорилювання рецептора. Інша можливість - ендоцитоз рецептора, зняття його з поверхні клітини. Він може просто переробити до переднього краю, де це потрібно (тобто трансцитоз), або якщо він більше не потрібен або пошкоджений, він може бути розбитий в лізосомі.