Cellepolaritet - Cell polarity
Cellepolaritet refererer til rumlige forskelle i form, struktur og funktion i en celle . Næsten alle celletyper udviser en eller anden form for polaritet, som gør dem i stand til at udføre specialiserede funktioner. Klassiske eksempler på polariserede celler er beskrevet nedenfor, herunder epitelceller med apikal-basal polaritet, neuroner , hvori signaler formerer sig i en retning fra dendritter til axoner og migrerende celler . Desuden er cellepolaritet vigtig under mange typer asymmetrisk celledeling for at oprette funktionelle asymmetrier mellem datterceller.
Mange af de nøglemolekylære aktører, der er impliceret i cellepolaritet, er godt bevarede. For eksempel spiller PAR-3/PAR-6/aPKC-komplekset i metazoanceller en grundlæggende rolle i cellepolaritet. Selvom de biokemiske detaljer kan variere, er nogle af kerneprincipperne såsom negativ og/eller positiv feedback mellem forskellige molekyler almindelige og væsentlige for mange kendte polaritetssystemer.
Eksempler på polariserede celler
Epitelceller
Epitelceller klæber til hinanden gennem tætte kryds , desmosomer og adhærerer kryds , der danner lag af celler, der beklæder overfladen af dyrekroppen og indre hulrum (f.eks. Fordøjelseskanalen og kredsløbssystemet). Disse celler har en apikal-basal polaritet defineret af den apikale membran, der vender ud mod kroppens ydre overflade, eller lumen i indre hulrum, og den basolaterale membran orienteret væk fra lumen. Den basolaterale membran refererer til både den laterale membran, hvor cellecelleforbindelser forbinder naboceller og til basalmembranen, hvor cellerne er fastgjort til basalmembranen , et tyndt ark af ekstracellulære matrixproteiner , der adskiller epitelarket fra underliggende celler og bindevæv . Epitelceller udviser også plane cellepolaritet , hvor specialiserede strukturer er orienteret inden i epitelarkets plan. Nogle eksempler på plan cellepolaritet omfatter fiskens skalaer, der er orienteret i samme retning, og på samme måde fjer af fugle, pattedyrs pels og de kutikulære fremspring (sansehår osv.) På fluer og andre insekters vedhæng .
Neuroner
En neuron modtager signaler fra naboceller gennem forgrenede, cellulære udvidelser kaldet dendritter . Neuronen formerer derefter et elektrisk signal ned ad en specialiseret axonforlængelse fra basalpolen til synapsen, hvor neurotransmittere frigives for at sprede signalet til en anden neuron eller effektorcelle (f.eks. Muskel eller kirtel). Neuronens polaritet letter således den retningsbestemte informationsstrøm, som er nødvendig for kommunikation mellem neuroner og effektorceller.
Vandrende celler
Mange celletyper er i stand til at migrere, såsom leukocytter og fibroblaster , og for at disse celler kan bevæge sig i en retning, skal de have en defineret for og bag. På forsiden af cellen er forkanten, som ofte defineres ved en flad ruffling af cellemembranen kaldet lamellipodium eller tynde fremspring kaldet filopodia . Her tillader actinpolymerisation i migrationsretningen celler at forlænge cellens forkant og til at fæstne til overfladen. På bagsiden af cellen, er sammenvoksninger skilles ad og bundter af actin mikrofilamenter , kaldet stress fibre , kontrakt og træk bagkanten frem til at holde trit med resten af cellen. Uden denne for-bag-polaritet ville celler ikke være i stand til at koordinere rettet migration.
Spire gær
Den spirende gær, Saccharomyces cerevisiae , er et modelsystem for eukaryot biologi, hvor mange af de grundlæggende elementer i polaritetsudvikling er blevet belyst. Gærceller deler mange træk ved cellepolaritet med andre organismer, men har færre proteinkomponenter. I gær er polariteten forudindtaget til at dannes ved et arveligt vartegn, en plaster af proteinet Rsr1 i tilfælde af spirende eller en plet af Rax1 i parringsfremspring. I fravær af polaritetsmærker (dvs. i gen -deletionsmutanter) kan celler udføre spontan symmetribrud , hvor placeringen af polaritetsstedet bestemmes tilfældigt. Spontan polarisering genererer stadig kun et enkelt knoppested, hvilket er blevet forklaret af positiv feedback, der øger polaritetens proteinkoncentrationer lokalt ved den største polaritetsplaster, mens polaritetsproteiner reduceres globalt ved at tømme dem. Hovedregulatoren for polaritet i gær er Cdc42 , som er medlem af den eukaryote Ras-homologe Rho-familie af GTPaser og medlem af superfamilien af små GTPaser, som inkluderer Rop GTPaser i planter og små GTPaser i prokaryoter. For at polaritetssteder kan dannes, skal Cdc42 være til stede og være i stand til at cykle GTP, en proces reguleret af dens guaninnukleotidudvekslingsfaktor (GEF), Cdc24 og af dens GTPase-aktiverende proteiner (GAP'er). Cdc42 lokalisering er yderligere reguleret af cellecykluskøer og et antal bindende partnere. En nylig undersøgelse for at belyse forbindelsen mellem cellecyklustiming og Cdc42 -akkumulering i knoppestedet anvender optogenetik til at kontrollere proteinlokalisering ved hjælp af lys. Under parring kan disse polaritetssteder flytte. Matematisk modellering kombineret med billeddannelseseksperimenter tyder på, at flytningen medieres af aktindrevet vesikelafgivelse.
Vertebratudvikling
Kropene af hvirveldyr er asymmetriske langs tre akser: anterior-posterior (hoved til hale), dorsal-ventral (rygsøjle til mave) og venstre-højre (for eksempel er vores hjerte på venstre side af vores krop). Disse polariteter opstår i det udviklende embryo gennem en kombination af flere processer: 1) asymmetrisk celledeling , hvor to datterceller modtager forskellige mængder cellulært materiale (f.eks. MRNA, proteiner), 2) asymmetrisk lokalisering af specifikke proteiner eller RNA'er i celler ( som ofte medieres af cytoskelet), 3) koncentrationsgradienter af udskillede proteiner på tværs af embryoet, såsom Wnt , Nodal og Bone Morphogenic Proteins (BMP'er), og 4) differentiel ekspression af membranreceptorer og ligander, der forårsager lateral inhibering, hvor den receptor-udtrykkende celle adopterer en skæbne og dens naboer en anden.
Udover at definere asymmetriske akser i den voksne organisme, regulerer cellepolaritet også både individuelle og kollektive cellebevægelser under embryonisk udvikling såsom apikal indsnævring , invagination og epiboly . Disse bevægelser er kritiske for at forme embryoet og skabe de komplekse strukturer i den voksne krop.
Molekylær basis
Cellepolaritet opstår primært gennem lokalisering af specifikke proteiner til bestemte områder af cellemembranen. Denne lokalisering kræver ofte både rekruttering af cytoplasmatiske proteiner til cellemembranen og polariseret vesikeltransport langs cytoskeletale filamenter for at levere transmembrane proteiner fra golgi -apparatet . Mange af de molekyler, der er ansvarlige for at regulere cellepolaritet, bevares på tværs af celletyper og i hele metazoanske arter. Eksempler omfatter PAR -komplekset ( Cdc42 , PAR3/ASIP, PAR6, atypisk proteinkinase C ), Crumbs -kompleks (Crb, PALS, PATJ, Lin7) og Scribble -kompleks (Scrib, Dlg, Lgl). Disse polaritetskomplekser er lokaliseret på den cytoplasmatiske side af cellemembranen, asymmetrisk i cellerne. For eksempel er PAR- og Crumbs -komplekserne i epitelceller lokaliseret langs den apikale membran og Scribble -komplekset langs den laterale membran. Sammen med en gruppe signalmolekyler kaldet Rho GTPaser kan disse polaritetskomplekser regulere vesikeltransport og også kontrollere lokaliseringen af cytoplasmatiske proteiner primært ved at regulere phosphoryleringen af phospholipider kaldet phosphoinositider . Phosphoinositider fungerer som dokkingsteder for proteiner ved cellemembranen, og deres fosforyleringstilstand bestemmer, hvilke proteiner der kan binde.
Polaritet etablering
Mens mange af de vigtigste polaritetsproteiner er godt bevarede, findes der forskellige mekanismer til at etablere cellepolaritet i forskellige celletyper. Her kan to hovedklasser skelnes: (1) celler, der er i stand til at polarisere spontant, og (2) celler, der etablerer polaritet baseret på iboende eller miljømæssige signaler.
Spontan symmetribrud kan forklares ved forstærkning af stokastiske udsving i molekyler på grund af ikke-lineær kemisk kinetik. Det matematiske grundlag for dette biologiske fænomen blev fastlagt af Alan Turing i sit papir fra 1953 ' Det kemiske grundlag for morfogenese '. Mens Turing oprindeligt forsøgte at forklare mønsterdannelse i et multicellulært system, kan lignende mekanismer også anvendes på intracellulær mønsterdannelse. Kort sagt, hvis et netværk af mindst to interagerende kemikalier (i dette tilfælde proteiner) udviser visse former for reaktionskinetik såvel som differential diffusion, kan stokastiske koncentrationsudsving give anledning til dannelse af store, stabile mønstre og dermed bygge bro fra en molekylær længdeskala til en cellulær eller endda vævsskala.
Et glimrende eksempel på den anden type polaritetsetablering, der er afhængig af ekstracellulære eller intracellulære signaler, er C. elegans zygote. Her guider gensidig hæmning mellem to sæt proteiner etablering og vedligeholdelse af polaritet. På den ene side optager PAR-3, PAR-6 og aPKC (kaldet anterior PAR-proteiner) både plasmamembranen og cytoplasma før symmetri brydes. PAR-1, det C. elegans -specifikke protein indeholdende ringfingre, PAR-2, og LGL-1 (kaldet posterior PAR-proteiner) findes hovedsageligt i cytoplasmaet. Det mandlige centrosom giver en cue, der bryder en oprindeligt homogen membranfordeling af forreste PAR'er ved at inducere kortikale strømme. Disse menes at føre fremre PAR'er mod den ene side af cellen, så posteriore PAR'er kan binde til anden pol (posterior). Forreste og bageste PAR -proteiner opretholder derefter polaritet indtil cytokinesis ved gensidigt at udelukke hinanden fra deres respektive cellemembranområder.