Polarita buněk - Cell polarity
Polarita buněk odkazuje na prostorové rozdíly ve tvaru, struktuře a funkci v rámci a buňka. Téměř všechny typy buněk vykazují určitou formu polarity, která jim umožňuje provádět specializované funkce. Klasické příklady polarizovaných buněk jsou popsány níže, včetně epiteliálních buněk s apikální-bazální polaritou, neurony ve kterém se signály šíří jedním směrem od dendrity na axony, a migrující buňky. Kromě toho je polarita buněk důležitá během mnoha typů asymetrické dělení buněk nastavit funkční asymetrie mezi dceřinými buňkami.
Mnoho klíčových molekulárních hráčů podílejících se na polaritě buněk je dobře zachováno. Například v metazoanových buňkách hraje komplex PAR-3 / PAR-6 / aPKC zásadní roli v polaritě buněk. I když se biochemické detaily mohou lišit, některé základní principy, jako je negativní a / nebo pozitivní zpětná vazba mezi různými molekulami, jsou společné a zásadní pro mnoho známých systémů polarity.[1]

Příklady polarizovaných buněk
Epitelové buňky
Epiteliální buňky se navzájem adherují těsné spojení, desmosomy a dodržuje spojení, tvořící vrstvy buněk, které lemují povrch těla zvířete a vnitřní dutiny (např. trávicí trakt a oběhový systém). Tyto buňky mají apikální-bazální polaritu definovanou apikální membrána směřující k vnějšímu povrchu těla nebo lumen vnitřních dutin a bazolaterální membrána orientovaný od lumenu. Basolaterální membrána označuje jak boční membránu, kde spojení buněk a buněk spojuje sousední buňky, tak bazální membránu, kde jsou buňky připojeny k bazální membrána tenký list z extracelulární matrix bílkoviny, které oddělují epiteliální vrstvu od základních buněk a pojivová tkáň. Vykazují se také epiteliální buňky polarita rovinných buněk, ve kterém jsou specializované struktury orientovány v rovině epiteliálního listu. Některé příklady polarity rovinných buněk zahrnují šupiny ryb orientovaných stejným směrem a podobně i peří ptáků, srst savců a kutikulární výčnělky (smyslové chloupky atd.) Na tělech a přídavcích much a jiného hmyzu .[2]
Neurony
Neuron přijímá signály ze sousedních buněk prostřednictvím rozvětvených buněčných rozšíření nazývaných dendrity. Neuron poté šíří elektrický signál specializovaným směrem dolů axon rozšíření synapse, kde jsou uvolňovány neurotransmitery k šíření signálu na další neuron nebo efektorovou buňku (např. sval nebo žláza). Polarita neuronu tak usnadňuje směrový tok informací, který je vyžadován pro komunikaci mezi neurony a efektorovými buňkami.[3]
Migrační buňky
Mnoho typů buněk je schopných migrace, například leukocyty a fibroblasty, a aby se tyto buňky mohly pohybovat jedním směrem, musí mít definovanou přední a zadní část. V přední části buňky je náběžná hrana, která je často definována plochým volánkem buněčné membrány zvané lamellipodium nebo tenké výčnělky zvané filopodia. Tady, aktin polymerace ve směru migrace umožňuje buňkám prodloužit náběžnou hranu buňky a připojit se k povrchu.[4] V zadní části buňky jsou rozebrány adheze a svazky aktinu mikrofilamenta, volala stresová vlákna, stáhněte a táhněte zadní hranu dopředu, abyste drželi krok se zbytkem buňky. Bez této předozadní polarity by buňky nebyly schopny koordinovat řízenou migraci.[5]
Začínající droždí
Začínající droždí, Saccharomyces cerevisiae, je modelový systém pro eukaryotickou biologii, ve kterém bylo objasněno mnoho základních prvků vývoje polarity. Buňky kvasinek sdílejí mnoho znaků polarity buněk s jinými organismy, ale mají méně bílkovinných složek. V kvasinkách je polarita předpjatá tak, aby se vytvořila na zděděném orientačním bodu, na náplasti proteinu Rsr1 v případě pučení nebo na náplasti Rax1 v párících se projekcích.[6] Při absenci orientačních bodů polarity (tj. U mutantů delece genů) mohou buňky fungovat spontánně lámání symetrie,[7] ve kterém je náhodně určeno umístění místa polarity. Spontánní polarizace stále generuje pouze jedno místo bud, což bylo vysvětleno pozitivní zpětnou vazbou zvyšující lokálně koncentrace polarity proteinů na největší polární ploše, zatímco globálně snižuje polaritu proteinů jejich vyčerpáním. Hlavním regulátorem polarity v kvasinkách je [CDC42 | Cdc42], který je členem eukaryotické Ras-homologní Rho rodina GTPas a člen superrodiny malých GTPáz, které zahrnují Rop GTPasy v rostlinách a malé GTPázy v prokaryotech. Aby se vytvořila místa polarity, musí být přítomný Cdc42 a schopný cyklovat GTP, což je proces regulovaný jeho guaninový nukleotidový výměnný faktor (GEF), Cdc24, a jeho Proteiny aktivující GTPázu (Mezery). Lokalizace Cdc42 je dále regulována dotazy buněčného cyklu a řadou vazebných partnerů. [8]
Stručně řečeno, vytvoření polarity nebo porušení symetrie je v tomto kontextu prvním krokem pro polaritu buněk a následně dělení buněk. Spontánní narušení symetrie je příkladem jevů samoorganizace v živých buňkách.
Nedávná studie k objasnění souvislosti mezi načasováním buněčného cyklu a Cdc42 akumulace v bud místě použití optogenetika řídit lokalizaci proteinů pomocí světla.[9]
Dále pomocí experimentální evoluce Byla studována funkce a robustnost stanovení polarity kvasinek.[10]
Stanovení polarity v kvasinkách je diskutováno v Irazoqui a Lew (2004).[11]
Vývoj obratlovců
Těla obratlovců jsou asymetrická podél tří os: předozadní (od hlavy po ocas), hřbetní-ventrální (páteř na břicho) a zleva doprava (například naše srdce je na levé straně těla). Tyto polarity vznikají uvnitř vyvíjejícího se embrya kombinací několika procesů: 1) asymetrické dělení buněk, ve kterém dvě dceřiné buňky přijímají různá množství buněčného materiálu (např. mRNA, proteiny), 2) asymetrická lokalizace specifických proteinů nebo RNA v buňkách (která je často zprostředkována cytoskeletem), 3) koncentrační gradienty vylučovaných proteinů napříč embryem jako Wnt, Nodal, a Kostní morfogenní proteiny (BMP) a 4) diferenciální exprese membránových receptorů a ligandů, které způsobují laterální inhibici, při které buňka exprimující receptory přijme jeden osud a jeho sousedé jiný.[12][13]
Kromě definice asymetrických os v dospělém organismu reguluje polarita buněk také individuální i kolektivní pohyby buněk během embryonálního vývoje, jako je apikální zúžení, invaginace, a epiboly. Tyto pohyby jsou rozhodující pro tvarování embrya a vytváření složitých struktur dospělého těla.
Molekulární základ
Polarita buněk vzniká primárně lokalizací specifických proteinů do specifických oblastí buněčné membrány. Tato lokalizace často vyžaduje jak nábor cytoplazmatických proteinů do buněčné membrány, tak polarizaci transport vezikul podél cytoskeletální vlákna dodávající transmembránové proteiny z Golgiho aparát. Mnoho molekul odpovědných za regulaci buněčné polarity je konzervováno napříč buněčnými typy a napříč druhy metazoanů. Mezi příklady patří komplex PAR (Cdc42, PAR3 / ASIP, PAR6, atypické protein kináza C. ),[14][15] Komplex drobků (Crb, PALS, PATJ, Lin7) a komplex Klikyháky (Scrib, Dlg, Lgl).[16] Tyto komplexy polarity jsou lokalizovány na cytoplazmatické straně buněčné membrány, asymetricky v buňkách. Například v epiteliálních buňkách jsou komplexy PAR a Drobky lokalizovány podél apikální membrány a komplex Klikyháky podél boční membrány.[17] Spolu se skupinou signálních molekul tzv Rho GTPasy mohou tyto komplexy polarity regulovat transport vezikul a také řídit lokalizaci cytoplazmatických proteinů primárně regulací fosforylace fosfolipidů zvaných fosfoinositidy. Fosfoinositidy slouží jako dokovací místa pro proteiny na buněčné membráně a jejich stav fosforylace určuje, které proteiny se mohou vázat.[18]
Stanovení polarity
I když je mnoho proteinů s klíčovou polaritou dobře konzervováno, existují různé mechanismy pro stanovení polarity buněk v různých typech buněk. Zde lze rozlišit dvě hlavní třídy: buňky, které jsou schopné spontánní polarizace a buňky, které vytvářejí polaritu na základě vnitřních nebo environmentálních podnětů.[19]
Spontánní narušení symetrie lze vysvětlit zesílením stochastických fluktuací molekul v důsledku nelineární chemické kinetiky. Matematický základ pro tento biologický jev byl vytvořen Alan Turing ve svém příspěvku z roku 1953 “Chemický základ morfogeneze '.[20] Zatímco se Turing zpočátku pokoušel vysvětlit formování vzorů v mnohobuněčném systému, podobné mechanismy lze použít i pro tvorbu intracelulárních vzorců.[21] Stručně řečeno, pokud síť alespoň dvou interagujících chemikálií (v tomto případě proteinů) vykazuje určité typy reakční kinetiky, stejně jako diferenciální difúzi, mohou kolísání stochastické koncentrace vést k tvorbě stabilních vzorců ve velkém měřítku, tedy překlenutí měřítko molekulové délky na měřítko buněčné nebo dokonce tkáňové.
Ukázkovým příkladem pro druhý typ stanovení polarity, který se opírá o extracelulární nebo intracelulární podněty, je C. elegans zygota. Zde vzájemná inhibice mezi dvěma sadami proteinů řídí zřizování a udržování polarity. Na jedné straně PAR-3, PAR-6 a aPKC (nazývané přední proteiny PAR) zabírají jak plazmatickou membránu, tak cytoplazmu před porušením symetrie. PAR-1, specifický prstenový prst obsahující protein PAR-2 a LGL-1 (nazývané zadní proteiny PAR) jsou přítomny většinou v cytoplazmě.[22] Mužský centrosom poskytuje narážku, která rozrušuje původně homogenní membránovou distribuci předních PAR indukcí kortikálních toků. Předpokládá se, že se tyto přední PAR pohybují směrem k jedné straně buňky, což umožňuje, aby se zadní PAR vázaly na jiný pól (zadní).[23][24] Přední a zadní proteiny PAR si poté udržují polaritu až do cytokineze vzájemným vylučováním ze svých příslušných oblastí buněčných membrán.
Viz také
Reference
- ^ Altschuler, Steven J .; Angenent, Sigurd B .; Wang, Yanqin; Wu, Lani F. (srpen 2008). „O spontánním vzniku polarity buněk“. Příroda. 454 (7206): 886–889. doi:10.1038 / nature07119. ISSN 1476-4687. PMC 2562338. PMID 18704086.
- ^ Wu, červen; Mlodzik, Marek A. (29. června 2009). „Hledání mechanismu regulujícího polaritu tkání globální planární buňky“. Trendy v buněčné biologii. 19 (7): 295–305. doi:10.1016 / j.tcb.2009.04.003. PMC 3501338. PMID 19560358.
- ^ Rasband, Matthew N. (srpen 2010). "Počáteční segment axonu a zachování neuronové polarity". Recenze přírody Neurovědy. 11 (8): 552–562. doi:10.1038 / nrn2852. PMID 20631711.
- ^ Ridley, Anne J .; Schwartz, Martin A .; Burridge, Keith; Firtel, Richard A .; Ginsberg, Mark H .; Borisy, Gary; Parsons, J. Thomas; Horwitz, Alan Rick (5. prosince 2003). „Migrace buněk: integrace signálů zepředu dozadu“. Věda. 302 (5651): 1704–1709. doi:10.1126 / science.1092053. PMID 14657486.
- ^ Friedl, Peter; Vlk, Katarina (květen 2003). „Invaze a migrace nádorových buněk: rozmanitost a únikové mechanismy“. Nature Reviews Cancer. 3 (5): 362–374. doi:10.1038 / nrc1075. PMID 12724734.
- ^ Vasen, Gustavo; Dunayevich, Paula; Colman-Lerner, Alejandro (09.05.2020). „Mitotická a feromonově specifická vnitřní polarizační narážka interferují se snímáním gradientu v Saccharomyces cerevisiae“. Proc Natl Acad Sci USA. 117 (12): 6580–6589. doi:10.1073 / pnas.1912505117. PMID 32152126.
- ^ Wedlich-Soldner, Roland; Li, Rong (01.04.2003). "Spontánní polarizace buněk: podkopávání determinismu". Přírodní buněčná biologie. 5 (4): 267–270. doi:10.1038 / ncb0403-267. PMID 12669070.
- ^ Irazoqui, Javier E .; Lew, Daniel J. (01.05.2004). „Stanovení polarity v kvasnicích“. Journal of Cell Science. 117 (11): 2169–2171. doi:10.1242 / jcs.00953. ISSN 0021-9533. PMID 15126618.
- ^ Witte, Kristen; Strickland, Devin; Glotzer, Michael (06.07.2017). „Vstup do buněčného cyklu spouští přepínání mezi dvěma režimy aktivace Cdc42 během polarizace kvasinek“. eLife. 6. doi:10,7554 / eLife.26722. ISSN 2050-084X. PMC 5536948. PMID 28682236.
- ^ Laan, Liedewij; Koschwanez, John H; Murray, Andrew W. (10.10.2015). „Evoluční adaptace po ochromující polarizaci buněk sleduje reprodukovatelné trajektorie“. eLife. 4. doi:10,7554 / eLife.09638. ISSN 2050-084X. PMC 4630673. PMID 26426479.
- ^ http://jcs.biologists.org/content/117/11/2169
- ^ Hashimoto, Masakazu; Hamada, Hiroshi (srpen 2010). "Translace přední-zadní polarity do levé-pravé polarity v myším embryu". Aktuální názor na genetiku a vývoj. 20 (4): 433–437. doi:10.1016 / j.gde.2010.04.002. PMID 20439159.
- ^ Johnston, Daniel St; Ahringer, Julie (28. května 2010). „Polarita buněk ve vejcích a epitelích: paralely a rozmanitost“. Buňka. 141 (5): 757–774. doi:10.1016 / j.cell.2010.05.011. PMID 20510924.
- ^ Izumi Y, Hirose T, Tamai Y, Hirai S, Nagashima Y, Fujimoto T, Tabuse Y, Kemphues KJ, Ohno S (říjen 1998). „Atypický PKC se přímo sdružuje a kolokalizuje na těsném spojení epitelu s ASIP, savčím homologem Caenorhabditis elegans Polarita Protein PAR-3 ". J Cell Biol. 143 (1): 95–106. doi:10.1083 / jcb.143.1.95. PMC 2132825. PMID 9763423.
- ^ Tabuse Y, Izumi Y, Piano F, Kemphues KJ, Miwa J, Ohno S (září 1998). „Atypická protein kináza C spolupracuje s PAR-3 na stanovení embryonální polarity u Caenorhabditis elegans“. Rozvoj. 125 (18): 3607–3614. PMID 9716526.
- ^ Bryant, David M .; Mostov, Keith E. (listopad 2008). „Od buněk k orgánům: budování polarizované tkáně“. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 9 (11): 887–901. doi:10.1038 / nrm2523. PMC 2921794. PMID 18946477.
- ^ Johnston, Daniel St; Ahringer, Julie (28. května 2010). „Polarita buněk ve vejcích a epitelích: paralely a rozmanitost“. Buňka. 141 (5): 757–774. doi:10.1016 / j.cell.2010.05.011. PMID 20510924.
- ^ Orlando, Kelly; Guo, Wei (listopad 2009). „Organizace a dynamika v polaritě buněk“. Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii. 1 (5): a001321. doi:10.1101 / cshperspect.a001321. PMC 2773647. PMID 20066116.
- ^ Wedlich-Soldner, Roland; Li, Rong (01.04.2003). "Spontánní polarizace buněk: podkopávání determinismu". Přírodní buněčná biologie. 5 (4): 267–270. doi:10.1038 / ncb0403-267. PMID 12669070.
- ^ Turing, A. M .; S, F. R. (1952-08-14). „Chemický základ morfogeneze“. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 237 (641): 37–72. doi:10.1098 / rstb.1952.0012. ISSN 0080-4622.
- ^ Gierer, A .; Meinhardt, H. (01.12.1972). „Teorie formování biologického vzorce“. Kybernetik. 12 (1): 30–39. doi:10.1007 / BF00289234. ISSN 0023-5946. PMID 4663624.
- ^ "Asymetrické dělení buněk a tvorba os v embryu". www.wormbook.org. Citováno 2018-04-06.
- ^ Munro, Edwin; Nance, Jeremy; Priess, James R. (01.09.2004). „Kortikální toky poháněné asymetrickou kontrakcí transportují proteiny PAR k vytvoření a udržení předozadní polarity na počátku embrya C. elegans“. Vývojová buňka. 7 (3): 413–424. doi:10.1016 / j.devcel.2004.08.001. ISSN 1534-5807. PMID 15363415.
- ^ Goehring, Nathan W .; Trong, Philipp Khuc; Bois, Justin S .; Chowdhury, Debanjan; Nicola, Ernesto M .; Hyman, Anthony A .; Grill, Stephan W. (2011-11-25). "Polarizace proteinů PAR pomocí výhodného spuštění systému vytvářejícího vzor". Věda. 334 (6059): 1137–1141. doi:10.1126 / science.1208619. hdl:10261/80314. ISSN 0036-8075. PMID 22021673.