Cellmigration - Cell migration

Cellmigration är en central process i utveckling och underhåll av flercelliga organismer . Vävnadsbildning under embryonal utveckling , sårläkning och immunsvar kräver alla orkestrerad rörelse av celler i särskilda riktningar till specifika platser. Celler migrerar ofta som svar på specifika externa signaler, inklusive kemiska signaler och mekaniska signaler . Fel under denna process har allvarliga konsekvenser, inklusive intellektuell funktionsnedsättning , kärlsjukdom , tumörbildning och metastasering . En förståelse av mekanismen genom vilken celler migrerar kan leda till utveckling av nya terapeutiska strategier för att kontrollera till exempel invasiva tumörceller.

På grund av den mycket viskösa miljön (lågt Reynolds -antal ) måste celler kontinuerligt producera krafter för att röra sig. Celler uppnår aktiv rörelse med mycket olika mekanismer. Många mindre komplexa prokaryota organismer (och spermier) använder flagella eller cilia för att driva sig själva. Eukaryot cellmigration är vanligtvis mycket mer komplex och kan bestå av kombinationer av olika migrationsmekanismer. Det innebär generellt drastiska förändringar i cellform som drivs av cytoskelet . Två mycket tydliga migrationsscenarier är krypande rörelse (vanligast studerade) och blekande rörlighet. Ett paradigmatiskt exempel på krypande rörelser är fallet med fiskepidermala keratocyter, som har använts flitigt i forskning och undervisning.

Studier av cellmigration

Migrationen av odlade celler fästa vid en yta eller i 3D studeras vanligen med hjälp av mikroskopi . Eftersom cellrörelsen är mycket långsam, spelas in några µm/minut, time-lapse-mikroskopi- videor av de migrerande cellerna för att påskynda rörelsen. Sådana videor (figur 1) avslöjar att den ledande cellfronten är mycket aktiv, med ett karakteristiskt beteende för successiva sammandragningar och expansioner. Det är allmänt accepterat att den främre fronten är huvudmotorn som drar cellen framåt.

Gemensamma funktioner

De processer som ligger till grund för däggdjurscellmigration antas överensstämma med förloppen för (icke- spermatozooisk ) rörelse . Gemensamma observationer inkluderar:

  • cytoplasmatisk förskjutning i framkant (fram)
  • laminärt avlägsnande av dorsalt ackumulerat skräp mot bakkant (baksida)

Den senare egenskapen observeras lättast när aggregat av en ytmolekyl är tvärbundna med en fluorescerande antikropp eller när små pärlor blir artificiellt bundna till cellens framsida.

Andra eukaryota celler observeras migrera på liknande sätt. Amoeba Dictyostelium discoideum är användbart för forskare eftersom de konsekvent uppvisar kemotaxi som svar på cyklisk AMP ; de rör sig snabbare än odlade däggdjursceller; och de har ett haploid genom som förenklar processen för att ansluta en viss genprodukt till dess effekt på cellulärt beteende.

Två olika modeller för hur celler rör sig. A) Cytoskeletal modell. B) Membranflödesmodell
(A) Dynamiska mikrotubuli är nödvändiga för svansindragning och distribueras i bakre änden i en migrerande cell. Gröna, mycket dynamiska mikrotubuli; gula, måttligt dynamiska mikrotubuli och röda, stabila mikrotubuli. (B) Stabila mikrotubuli fungerar som fjädrar och förhindrar svansindragning och hämmar därigenom cellmigration.

Molekylära migrationsprocesser

Det finns två huvudsakliga teorier för hur cellen avancerar sin främre kant: cytoskelet -modellen och membranflödesmodellen. Det är möjligt att båda underliggande processerna bidrar till cellförlängning.

Cytoskeletal modell (A)

Framkanten

Experiment har visat att det sker snabb aktinpolymerisation vid cellens framkant. Denna observation har lett till hypotesen att bildning av aktinfilament "skjuter" framkanten framåt och är den främsta rörliga kraften för att avancera cellens främre kant. Dessutom kan cytoskeletala element interagera omfattande och intimt med cellens plasmamembran.

Bakkanten

Andra cytoskeletala komponenter (som mikrotubuli) har viktiga funktioner vid cellmigration. Det har visat sig att mikrotubuli fungerar som ”struts” som motverkar de kontraktila krafter som behövs för att dra bakkant under cellrörelser. När mikrotubuli i cellens bakkant är dynamiska kan de ombyggas för att tillåta indragning. När dynamiken undertrycks kan mikrotubuli inte bygga om och därför motsätta sig de kontraktila krafterna. Morfologin hos celler med undertryckt mikrotubuli -dynamik indikerar att celler kan förlänga framkanten (polariserad i rörelseriktningen), men har svårt att dra tillbaka sin bakkant. Å andra sidan kan höga läkemedelskoncentrationer, eller mikrotubuli -mutationer som depolymeriserar mikrotubuli, återställa cellmigration men det förlorar riktning. Man kan dra slutsatsen att mikrotubuli verkar både för att begränsa cellrörelsen och för att fastställa riktning.

Membranflödesmodell (B)

Studier har också visat att migreringens framsida är den plats där membranet återförs till cellytan från inre membranpooler i slutet av den endocytiska cykeln . Detta har lett till hypotesen att förlängning av framkanten främst sker genom tillsats av membran på framsidan av cellen. Om så är fallet kan aktinfilamenten som bildas på framsidan stabilisera det tillsatta membranet så att en strukturerad förlängning, eller lamell, bildas snarare än en bubbelliknande struktur (eller bleb) vid dess framsida. För att en cell ska röra sig är det nödvändigt att ta med en ny tillförsel av "fötter" (proteiner som kallas integriner , som fäster en cell till ytan på vilken den kryper) till framsidan. Det är troligt att dessa fötter endocyteras mot baksidan av cellen och förs till cellens framsida av exocytos för att återanvändas för att bilda nya fästen till substratet.

Bakåtgående membranflöde (röda pilar) och vesikelhandel bakifrån och fram (blå pilar) driver vidhäftningsoberoende migration.

Mekanistisk grund för amoeboid migration

Adhesiv krypning är inte det enda migrationsläget som uppvisas av eukaryota celler. Viktigare är att metastatiska cancerceller och immunceller som makrofager och neutrofiler har visat sig kunna vidhäftningsoberoende migration. Den mekanistiska grunden för detta migrationsläge är mindre förstått än antingen eukaryota cellkrypningar eller flagellabaserad simning av mikroorganismer. Fysikern EM Purcell teoretiserade att under förhållanden med låg Reynolds -taldynamik, som gäller i cellulär skala, kan bakåtgående ytflöde tillhandahålla en mekanism för mikroskopiska föremål att simma framåt. Efter några decennier gavs experimentellt stöd för denna modell med hjälp av optogenetik . Det visades att celler som migrerar på ett amoeboidt sätt utan vidhäftningar uppvisar plasmamembranflöde mot cellens baksida som kan driva celler genom att utöva tangentiella krafter på den omgivande vätskan. Polariserad handel med membraninnehållande vesiklar från baksidan till framsidan av cellen hjälper till att bibehålla cellstorleken. Bakåtgående membranflöde observerades också i Dictyostelium discoideum -celler. Intressant nog har migrationen av supracellulära kluster också befunnits stödjas av en liknande mekanism för bakåtgående ytflöde.

Schematisk bild av den kollektiva biomekaniska och molekylära mekanismen för cellrörelse

Kollektiv biomekanisk och molekylär mekanism för cellrörelse

Baserat på några matematiska modeller, hypoteser nyligen genomförda studier en ny biologisk modell för kollektiv biomekanisk och molekylär mekanism för cellrörelse. Det föreslås att mikrodomäner väver textoskeletets struktur och deras interaktioner markerar platsen för bildandet av nya vidhäftningsställen. Enligt denna modell organiserar mikrodomainsignaldynamik cytoskelet och dess interaktion med substrat. När mikrodomäner utlöser och upprätthåller aktiv polymerisation av aktinfilament, genererar deras utbredning och sicksackrörelse på membranet ett mycket sammankopplat nätverk av krökta eller linjära filament orienterade i ett brett spektrum av vinklar mot cellgränsen. Det föreslås också att mikrodomäninteraktion markerar bildandet av nya fokala vidhäftningsställen vid cellperiferin. Myosininteraktion med aktinnätverket genererar sedan membranretraktion/ruffling, retrograd flöde och kontraktila krafter för framåtrörelse. Slutligen kan kontinuerlig applicering av spänning på de gamla fokala vidhäftningsställena resultera i kalciuminducerad calpainaktivering och följaktligen lossning av fokalvidhäftningar som slutför cykeln.

Polaritet i migrerande celler

Migrerande celler har en polaritet - en framsida och en baksida. Utan det skulle de röra sig åt alla håll på en gång, dvs sprida sig. Hur denna polaritet formuleras på molekylär nivå inuti en cell är okänt. I en cell som slingrar sig på ett slumpmässigt sätt kan fronten lätt ge vika för att bli passiv som någon annan region, eller regioner, av cellen bildar en ny front. I kemotaxeringsceller verkar framsidans stabilitet förbättras när cellen går framåt mot en högre koncentration av den stimulerande kemikalien. Denna polaritet reflekteras på en molekylär nivå av en begränsning av vissa molekyler till särskilda områden på den inre cellytan . Således finns fosfolipiden PIP3 och aktiverade Rac och CDC42 på framsidan av cellen, medan Rho GTPase och PTEN återfinns bakåt.

Man tror att trådaktiner och mikrotubuli är viktiga för att upprätta och bibehålla en cells polaritet. Läkemedel som förstör aktinfilament har flera och komplexa effekter, vilket återspeglar den stora roll som dessa filament spelar i många cellprocesser. Det kan vara att, som en del av den lokomotoriska processen, membran vesiklar transporteras längs dessa filament till cellens framsida. I kemotaxeringsceller kan den ökade persistensen av migration mot målet bero på en ökad stabilitet i arrangemanget av de trådformiga strukturerna inuti cellen och bestämma dess polaritet. I sin tur kan dessa trådformade strukturer anordnas inuti cellen enligt hur molekyler som PIP3 och PTEN är anordnade på det inre cellmembranet. Och var dessa är placerade verkar i sin tur bestämmas av kemoattraktionssignalerna eftersom dessa påverkar specifika receptorer på cellens yttre yta.

Även om mikrotubuli har varit kända för att påverka cellmigration i många år, har mekanismen genom vilken de gör det varit kontroversiell. På en plan yta behövs inte mikrotubuli för rörelsen, men de krävs för att ge cellrörelse riktning och effektivt utskjutande av framkanten. När de finns, fördröjer mikrotubuli cellrörelser när deras dynamik undertrycks av läkemedelsbehandling eller av tubulinmutationer.

Omvända problem i samband med cellmotilitet

Ett forskningsområde som kallas invers problem i cellmotilitet har etablerats. Detta tillvägagångssätt är baserat på tanken att beteende- eller formförändringar i en cell innehåller information om de bakomliggande mekanismerna som genererar dessa förändringar. Att läsa cellrörelse, nämligen förstå de underliggande biofysiska och mekanokemiska processerna, är av yttersta vikt. De matematiska modellerna som utvecklats i dessa verk bestämmer några fysiska egenskaper och materialegenskaper hos cellerna lokalt genom analys av levande cellbildsekvenser och använder denna information för att göra ytterligare slutsatser om molekylstrukturer, dynamik och processer i cellerna, såsom aktinet nätverk, mikrodomäner, kemotaxi, vidhäftning och retrograd flöde.

Se även

Referenser

externa länkar