Кіріспе
Химиялық стимулға жауап ретінде организмнің немесе нысанның қозғалысы
Химотаксис (химо + таксис) – химиялық стимулға жауап ретінде организмнің немесе нысанның қозғалысы. Соматикалық жасушалар, бактериялар және басқа да бір жасушалы немесе көп жасушалы организмдер өздерінің қозғалыстарын қоршаған ортадағы белгілі бір химиялық заттарға сәйкес бағыттайды. Бұл бактериялар үшін тағам молекулаларының ең жоғары концентрациясына қарай жүзу арқылы тағам табуы немесе улы заттардан (мысалы, фенолдан) қашуы үшін маңызды. Көп жасушалы организмдерде химотаксис ерте даму кезінде (мысалы, ұрықтандыру кезінде сперматозоидтардың жұмыртқаға қарай қозғалысы) және даму кезінде (мысалы, нейрондар мен лимфоциттердің миграциясы), сондай-ақ қалыпты функция және денсаулықта (мысалы, жарақат немесе инфекция кезінде лейкоциттердің миграциясы) маңызды рөл атқарады. Сонымен қатар, жануарларда химотаксисті қамтамасыз ететін механизмдер қатерлі ісік метастаздары кезінде бұрмалануы мүмкін екені анықталды. Лейкоциттер мен лимфоциттердің бұрыс химотаксисі атеросклероз, астма және артрит сияқты қабыну ауруларына да себеп болады. Жасуша ішіндегі компоненттер, мысалы, жұптасу ашытқысымен туындаған полярлық аймақ, сондай-ақ химотактикалық мінез-құлықты көрсете алады. Қозғалыс химиялық заттың жоғары концентрациясына қарай болса, оң химотаксис пайда болады; қозғалыс кері бағытта болса, теріс химотаксис пайда болады. Химиялық түрғысынан шақырылған кинез (кездейсоқ немесе бағытталмаған) химиокинез деп аталады.
Химотаксис зерттеулерінің тарихы
Клеткалардың көшіп-қонуын Лиувенхук микроскопияны дамытудың алғашқы күндерінен-ақ анықтағанмен, Калтехтегі химотаксис туралы лекцияда "химотаксистің толыққанды сипаттамасы алғаш рет Т. В. Энгельман (1881) және В. Ф. Пфеффер (1884) бактерияларда, ал Х. С. Дженнингс (1906) кірпікшелілерде жасаған" делінеді. Нобель сыйлығының лауреаты И. Мечников 1882-1886 жылдары осы саланың зерттеуіне үлес қосты, процесті фагоцитоздың бастапқы қадамы ретінде қарастырды. Химотаксистің биология және клиникалық патологиядағы маңызы 1930 жылдары кеңінен мойындалды, сондай-ақ осы кезеңге дейін құбылыстың негізгі анықтамалары жасалды. Химотаксистік талдаулардың сапалық бақылауының ең маңызды аспектілерін Х. Харрис 1950 жылдары сипаттады. 1960 және 1970 жылдары қазіргі заманғы жасушалық биология мен биохимияның революциясы миграциялық жауап беретін жасушаларды және химотаксикалық белсенділікке жауапты жасушаішілік фракцияларды зерттеу үшін жаңа техникалар ұсынды. Бұл технологияның қолжетімділігі жедел қабынуға қатысатын маңызды химотаксикалық фактор – C5a-ның табылуына әкелді. Дж. Адлердің пионерлік жұмыстары Пфеффердің капиллярлық әдісін жаңартып, бактериялардағы жасушаішілік сигналдарды беру процесін түсінуде маңызды бетбұрыс жасады.
Мінез-құлық
Бактериялардың жалпы қозғалысы жүгіру және құлап кету қозғалысы деп аталатын, ауыспалы құлап кету және жүзу фазаларының нәтижесі болып табылады. Нәтижесінде, біркелкі ортада жүзіп жүрген бактерияның траекториясы кездейсоқ жүріс құрайды, салыстырмалы түрде тура жүзулер бактерияны қайта бағыттайтын кездейсоқ құлап түсіп үзіледі. E. coli сияқты бактериялар жүзу бағытын таңдап ала алмайды және айналу диффузиясына байланысты бірнеше секундтан астам уақыт бойы тік сызықта жүзе алмайды; басқаша айтқанда, бактериялар өздерінің бағытын "ұмытады". Өз бағытын қайта-қайта бағалап, егер олар дұрыс емес бағытта қозғалса, түзету арқылы бактериялар кездейсоқ жүріс қозғалысын қолайлы жерлерге бағыттай алады. Химиялық градиент болғанда бактериялар хемотаксис жасайды, яғни градиентке байланысты жалпы қозғалысын бағыттайды. Егер бактерия дұрыс бағытта (тартушы заттарға қарай/ығыстырушы заттардан алыс) қозғалып жатқанын сезінсе, ол құлап түспес бұрын ұзақ уақыт бойы тік сызықта жүзіп жүреді; ал егер ол дұрыс емес бағытта қозғалса, тез құлайды. E. coli сияқты бактериялар уақытша сезіну арқылы жағдайдың жақсарып жатқанын анықтайды және осылайша тартушы заттардың ең жоғары концентрациясы бар жерді тауып, тіпті концентрациядағы кішкентай айырмашылықтарды да байқайды. Бұл бұрыс кездейсоқ жүріс, жай ғана екі кездейсоқ қозғалыс әдісінің арасында таңдаудың нәтижесі; атап айтқанда, құлап түсу және тік жүзу. Бұл қозғалыстың болуы үшін жеке флагеллінің спиральді құрылымы маңызды. Флагеллі жіптің құрамына кіретін ақуыз құрылымы – флагелин, барлық флагеллі бактерияларында сақталған. Омыртқалы жануарлар осы фактіні пайдаланып, осы сақталған белокты тануға арналған иммундық рецепторға (TLR5) ие болды. Биологиядағы көптеген жағдайларда болатындай, осы ережеге бағынбайтын бактериялар да бар. Vibrio сияқты көптеген бактериялар монофлагеллі және жасушаның бір полюсінде бір флагелліге ие. Олардың хемотаксис жасау әдісі басқаша. Ал кейбіреулерінде флагеллі жасуша қабырғасының ішінде сақталады. Бұл бактериялар бүкіл жасушаны айналдыру арқылы қозғалады, ол бұранда тәрізді.
Сигналды трандукциялау
Химиялық градиенттер метил қабылдайтын химиотаксистік ақуыздар (МКБ) деп аталатын көптеген трансмембраналық рецепторлар арқылы сезіледі, және олар анықтайтын молекулалар бойынша әртүрлі болады. Бактериялар әлемінде мыңдаған МКБ рецепторларының кодталғаны белгілі. Бұл рецепторлар тартымды заттарды немесе қайтарушы заттарды тікелей немесе периплазмалық кеңістіктегі ақуыздармен өзара әрекеттесу арқылы жанама түрде байланыстыруы мүмкін. Бұл рецепторлардан келетін сигналдар плазмалық мембрана арқылы цитозолға беріледі, онда Che ақуыздары белсендіріледі. Che ақуыздары тербеліс жиілігін өзгертеді, сонымен қатар рецепторларды да өзгертеді. CheA өз кезегінде, реакция реттеушілері CheB және CheY-дегі сақталған аспартат қалдықтарына фосфорил топтарын ауыстырады; CheA – гистидинкиназа және ол фосфорил тобын белсенді түрде ауыстырмайды, керісінше, реакция реттеуші CheB фосфорил тобын CheA-дан қабылдайды. Сигналды трандукцияның бұл механизмі екі компонентті жүйе деп аталады, және бұл бактерияларда сигналды трандукцияның кең таралған түрі болып табылады. CheY, флагельдік айналдырушы ақуыз FliM-мен өзара әрекеттесу арқылы флагельдің сағат тіліне қарсы айналуынан сағат тілімен айналуына өтуге себеп болады. Жеке флагельдің айналу күйінің өзгеруі бүкіл флагельдер шоғырын бұзып, құлауға әкелуі мүмкін.
Қабылдағышты реттеу
CheB, CheA-мен белсендірілген кезде метилэстераза ретінде әрекет етеді, рецептордың цитозольдық жағындағы глутамат қалдықтарынан метил топтарын алып тастайды; ол метилтрансфераза CheR-мен антагонистік әрекет етеді, ол сол глутамат қалдықтарына метил топтарын қосады. МКК толық метилирленген кезде тартымды затқа жауап бермейді; сондықтан тартымды заттың деңгейі жоғары болса да, CheA P (және CheB P) деңгейі артып, жасуша айнала бастайды. Бактериялардың химиялық градиенттерге сезімталдығымен қатар, сезімталдықтың абсолюттік мәнін арттыруға қатысатын басқа да механизмдер бар. Жақсы белгілі мысалдар – CheY P сигналына мотористің жоғары сезімтал жауабы және хеморецепторлардың кластерленуі.
Химикалық тартымды және химикалық репелленттер
Химиоаттрактанттар мен химиорепелленттер – қозғалмалы жасушаларда химиотаксисті күшейту әсеріне ие органикалық немесе органикалық емес заттар. Бұл химиотактикалық лигандтар химиялық концентрация градиенттерін жасайды, оларға прокариоттық және эукариоттық организмдер тиісінше жақындайды немесе алыстайды. Химиоаттрактанттардың әсері метил қабылдайтын химиотаксистік ақуыздар (MCP) сияқты химиорецепторлар арқылы туындайды. E. coli-дегі MCP-лерге Tar, Tsr, Trg және Tap жатады. Trg үшін химиялық тартымды заттарға рибоза мен галактоза кіреді, ал фенол химиялық репеллент ретінде әрекет етеді. Tap және Tsr дипептидтер мен серинге тиісінше химиялық тартымды заттар ретінде жауап береді. Ацилденбеген метионинил пептидтері нейтрофилдер мен макрофагтарға химиялық тартымдылық көрсетпейді. GTP және ATP микромолярлық концентрацияда тетрахимена мен парамециумға химиялық репелленттер болып табылады. Бұл организмдер бұл молекулалардан қашу үшін ауытқу реакцияларын жасап, градиенттен алыстауға бағытталған қозғалыстар жасайды.
Эукариоттық химиотаксис
Эукариотикалық жасушалар қолданатын хемотаксис механизмі E. coli бактериясындағыдан мүлдем өзгеше; алайда, химиялық градиенттерді сезіну процестің маңызды қадамы болып табылады. Олардың кішігірім мөлшері және басқа да биофизикалық шектеулеріне байланысты E. coli концентрация градиентін тікелей анықтай алмайды. Оның орнына, олар уақытша градиентті сезінуді қолданады, онда олар өз енінен бірнеше есе үлкен қашықтықтарға жылжып, химиялық концентрацияның өзгеру қарқынын өлшейді. Эукариотикалық жасушалар прокариоттардан әлдеқайда үлкен және олардың жасушалық мембранасында біркелкі орналасқан рецепторлары бар. Прокариоттарда бұл механизм метил қабылдайтын хемотаксистік ақуыздар (МХА) деп аталатын рецепторларды метилдеуді қамтиды. LEGI жылдам оқу және кешіктірілген тежеу арасындағы тепе-теңдікті қамтиды, бұл Ras белсенділігі және PIP3 өндірісі сияқты төменгі сигнал беруді басқарады. Рецепторлардың деңгейі, ішкі жасушалық сигнализация жолдары және эффекттор механизмдері әртүрлі, эукариотикалық типтегі компоненттерді білдіреді. Эукариотикалық бір жасушалы жасушаларда амебоидтық қозғалыс және кірпік немесе эукариотикалық қамшы – негізгі эффектторлар (мысалы, Амеба немесе Тетрахимена). Иммундық жасушалар сияқты жоғары омыртқалы жануарлардың кейбір эукариотикалық жасушалары да қажетті жерге жылжуға қабілетті. Иммундық қабілетті жасушалардан басқа (гранулоциттер, моноциттер, лимфоциттер), бұрын тіндерге бекітілген деп есептелген жасушалардың үлкен тобы ерекше физиологиялық (мысалы, мастоциттер, фибробласттар, эндотелий жасушалары) немесе патологиялық жағдайларда (мысалы, метастаздар) да қозғалуға қабілетті. Хемотаксис эмбриогенездің бастапқы кезеңдерінде маңызды рөл атқарады, себебі ұрықтық қабаттардың дамуы сигнал молекулаларының градиенттерімен бағытталады.
Қозғалыс қабілеті
Бактериялық химиотаксистегі қозғалыспен салыстырғанда, эукариоттық жасушалардың физикалық түрде қалай қозғалатыны нақты белгісіз. Сыртқы химиотактикалық градиентті сезіп, оны ішкі жасушалық PIP3 градиентіне айналдыратын механизмдер бар көрінеді, бұл градиенттің пайда болуына және сигналдық жолдардың белсендірілуіне алып келеді, нәтижесінде актин жіпшелерінің полимерленуі жүреді. Актин жіпшелерінің өсудегі алыс ұшы плазмалық мембрананың ішкі бетімен әртүрлі пептидтер арқылы байланыс орнатып, алдыңғы псевдоподтар мен артқы уроподтардың қалыптасуына себеп болады. Эукариоттық жасушалардың кірпіктері де химиотаксис тудыра алады; мұндай жағдайда, бұл негізінен базальды денешелердің микротубулалық жүйесінің Ca2+ тәуелді индукциясы және кірпіктердегі 9+2 микротубулаларының қозғалысы болып табылады. Жүздеген кірпіктердің үйлесімді қозғалысы базальды денешелер арасында құрылған мембрана асты жүйесімен синхронды түрде реттеледі. Сигналдық жолдардың толыққанды мәліметтері әлі анықталған жоқ.
Химотаксиске байланысты көші-қон реакциялары
Химотаксис – химиялық градиенттерге жауап ретінде жасушалардың бағытталған қозғалысын білдіреді; химиялық түрғысынан шақырылған қозғалыстың бірнеше түрлері төменде тізілген. Химокинез – қоршаған ортадағы химиялық заттарға жауап ретінде жасушалардың қозғалу белсенділігінің жоғарылауы. Химотаксистен өзгеше, химокинезбен шақырылған қозғалыс бағытталмаған, оның орнына қоршаған ортаны зерттеу әрекеттерін күшейтеді. Гаптотаксисте хемоаттрактант градиенті бетте өрнектеледі немесе байланысады, ал классикалық химотаксис модельінде градиент ерігіш сұйықтықта қалыптасады. Ең көп таралған биологиялық белсенді гаптотактикалық бет – клеткадан тыс матрица (ECM); байланысқан лигандтардың болуы трансэндотелиялық қозғалысты және ангиогенезді күшейтуге жауапты. Некротаксис – химоаттрактант молекулалары некроздық немесе апоптоздық жасушалардан шығарылған кездегі химотаксистің ерекше түрі. Шығарылған заттардың химиялық қасиеттеріне байланысты, некротаксис жасушаларды жинақтауы немесе кері қарай ығыстыруы мүмкін, бұл осы құбылыстың патофизиологиялық маңыздылығын көрсетеді.
Химотаксикалық іріктеу
Кейбір химиотаксистік рецепторлар генетикалық түрде анықталғандықтан, ұзақ мерзімді сипаттамалармен беткі мембранада экспрессияланады, ал басқалары лиганд қатысқанда ad hoc жиналатындықтан, қысқа мерзімді динамикаға ие. Химотаксистік рецепторлар мен лигандтардың әртүрлі ерекшеліктері химиялық тартымға жауап беретін жасушаларды қарапайым химиялық тартым сынағы арқылы таңдау мүмкіндігін береді. Химотаксистік селекция арқылы әлі сипатталмаған молекуланың ұзақ немесе қысқа мерзімді рецептор жолы арқылы әрекет ететінін анықтауға болады. Химотактикалық іріктеу термині сондай-ақ эукариоттық немесе прокариоттық жасушаларды селектор лигандтарына химиялық тартымға жауап беру деңгейіне сәйкес бөлетін техниканы белгілеу үшін де қолданылады.
Химотактикалық диапазонды орнату
Лиганд рецепторларының өзара әрекеттесуінен туындайтын хемотактикалық жауаптар лигандтың концентрациясына қарай өзгеріп отырады. Лигандтар отбасыларын (мысалы, аминқышқылы немесе олигопептидтер) зерттеулер хемотартымдылық активтілігінің кең диапазонды, ал хеморепелленттілік активтілігінің тар диапазонды болатынын көрсетеді.
Жасанды химиотактикалық жүйелер
Химиялық роботтар жасалма химиялық таксис арқылы автономды түрде бағытталды. Олардың қолданылуының бірі – организмде дәрілерді мақсатты түрде жеткізу. Соңғы кезде фермент молекулалары да өз субстраттарының градиентінде оң химиялық таксис көрсеткен. Ферменттердің белгілі бір субстраттарымен термодинамикалық тұрғыдан қолайлы байланысы ферменттік химиялық таксистің пайда болуының себебі деп есептеледі. Бұған қоса, каскадтағы ферменттер де субстраттың әсерімен химиялық жиналу көрсеткен. Белсенді ферменттерден өзге, реакцияға қатыспайтын молекулалар да химиялық таксис көрсетеді. Бұл полимер ерітіндісі градиенттеріндегі жағымды гидрофобтық өзара әрекеттесу арқылы бағытталған қозғалысқа ие бояу молекулаларын қолдану арқылы көрсетілген.