Жасушалардың қаттылық градиенттері бойынша қозғалуы – дуротаксис. Бұл құбылыс жасушалардың ECM-ді сезіну және механикалық стимулға жауап беру қабілетін көрсетеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Дюротаксис – жасушалардың қозғалысының бір түрі, онда жасушалар жасушадан тыс матрицаның (ECM) әртүрлі құрылымдық ерекшеліктерінен пайда болатын қаттылық градиенттерімен бағытталады. Көптеген қалыпты жасушалар қаттылық градиенттері бойымен қозғалады (қаттылығы жоғарылатын бағытта).
Durotaxis is a form of cell migration in which cells are guided by rigidity gradients, which arise from differential structural properties of the extracellular matrix (ECM). Most normal cells migrate up rigidity gradients (in the direction of greater stiffness).
Дюротаксис зерттеуінің тарихы
Дюротаксис процесі жасушаның қоршаған ортаны белсенді түрде сезуін, механикалық стимулды өңдеуін және жауап беруін қажет етеді. Бастапқыда бұл метазоаларға тән туа біткен қасиет деп есептелген, себебі бұл құбылыс көптеген әртүрлі жасушалардың байланысына тәуелді күрделі сенсорлық циклды талап етеді. Алайда, 1980 жылдардың соңында және 1990 жылдары ғылыми әдебиеттер көбейген сайын, жеке жасушалардың да осыған қабілетті екені анық болды. Оқшауланған жасушалардағы дуротаксистің алғашқы байқаулары, механикалық стимулдар балапандардың сезім және ми нейрондарының аксондарының басталуына және ұзаруына, сондай-ақ бұрын қозғалмайтын балықтың эпидермалық кератоциттерінде қозғалыс тудыруы мүмкін екенін көрсетті. ЭКМ (шығарылымдық матрица) қаттылығының цитоскелеттік қаттылыққа, фибронектин фибрилдерінің құрастырылуына, интеграл цитоскелеттік өзара әрекеттесулерінің күшіне, морфологияға және қозғалыс жылдамдығына әсер ететіні де анықталды, бұл факторлардың барлығы жасушалардың қозғалуына ықпал етеді. Бұрынғы байқаулар негізінде Ло және оның әріптестері жеке жасушалар субстраттың қаттылығын белсенді тактильдік зерттеу арқылы анықтай алады деген гипотезаны ұсынды, онда жасушалар жиырылғыш күштерді қолданып, субстраттағы деформацияны өлшейді. Өз тәжірибелерімен қолдау көрсеткен бұл команда 2000 жылы жарияланған «Биофизикалық журналда» «дуротаксис» терминін енгізді. Жақындағы зерттеулер бұрынғы байқауларды және дуротаксис принципін растайды, жасушалардың қаттылық градиенттері бойымен қозғалуы және қаттылыққа тәуелді морфологиялық өзгерістер туралы мәліметтер жинақталуда. Мысалы, коллаген концентрациясының матрица қаттылығымен байланысты екені in vivo және in vitro (гельдер) жағдайында көрсетілген.
The process of durotaxis requires a cell to actively sense the environment, process the mechanical stimulus, and execute a response. Originally, this was believed to be an emergent metazoan property, as the phenomenon requires a complex sensory loop that is dependent on the communication of many different cells. However, as the wealth of relevant scientific literature grew in the late 1980s and throughout the 1990s, it became apparent that single cells possess the ability to do the same. The first observations of durotaxis in isolated cells were that mechanical stimuli could cause the initiation and elongation of axons in the sensory and brain neurons of chicks and induce motility in previously stationary fish epidermal keratocytes. ECM stiffness was also noted to influence cytoskeletal stiffness, fibronectin fibril assembly, the strength of integrin cytoskeletal interactions, morphology and motility rate, all of which were known influence cell migration. With information from the previous observations, Lo and colleagues formulated the hypothesis that individual cells can detect substrate stiffness by a process of active tactile exploration in which cells exert contractile forces and measure the resulting deformation in the substrate. Supported by their own experiments, this team coined the term "durotaxis" in their paper in the Biophysical Journal in the year 2000. More recent research supports the previous observations and the principle of durotaxis, with continued evidence for cell migration up rigidity gradients and stiffness dependent morphological changes For example, collagen concentration has been reported to be correlated to matrix stiffness, both in vivo and in vitro (gels).
Түрлі қаттылықтағы синтездеу
Түрлі қаттылықтағы матрицалар тәжірибелік және терапиялық мақсаттарда (мысалы, жараның жазылуына арналған коллаген матрицалары) жиі қолданылады. Дюротактикалық градиенттерді полимерден (мысалы, акриламид немесе полидиметилсилоксаннан) 2 өлшемді субстраттар жасау арқылы құруға болады, онда қаттылық қиылыспалы тығыздықпен, ал ол өз кезегінде қиылыспалы байланыстырушы концентрациясымен реттеледі. Полимерді жасушалардың жабысуына мүмкіндік беретін материалмен, мысалы, коллаген немесе фибронектинмен қаптау қажет. Градиенттер көбінесе микрофлюидтік градиент генераторларын пайдалана отырып, фотополимерлеуден кейін гидрогель ретінде синтезделеді. Бұл техниканы жетілдіру – 3D матрицаларды қолдану, олар жасушалардың көшіп кетуін жасушаның табиғи үш өлшемді ортасына жақын жағдайларда басқара алады. Жасушалық матрицамен жасушаның байланыс орны – ошақтық адгезия, цитоскелетті бірнеше өзара әрекеттесетін ақуыздардың ұйымдастырылған қабаттары арқылы ЭКМ талшықтарына жалғастыратын үлкен, динамикалық ақуыз кешені. Интегриндер – ең сыртқы ақуыздар және олар тікелей ЭКМ лигандтарына байланысады. Дегенмен, ошақтық адгезиялар қарапайым бекіткіштерден гөрі күрделірек, олардың ақуыздары сигнал беруде маңызды рөл атқарады. Ошақтық адгезиялық киназа (FAK), талин, винкулин, паксилин және α-актинин сияқты ақуыздар шағын GTPазалармен (Rho, Rac, Cdc42) және басқа да сигналдық жолдармен өзара әрекеттеседі, матрицаның қаттылығындағы тіпті кішкентай өзгерістерді жеткізіп, жасуша пішінінің, актомиозиннің жиырылуының және цитоскелеттік ұйымның өзгеруіне жауап береді. Нәтижесінде, бұл өзгерістер жасушаның цитоскелетін қайта ұйымдастыруына мүмкіндік береді. Жасушаның цитоскелеті – полимерлердің үнемі өзгеретін желісі, оның ұйымдастырылуы жасушаның физикалық ортасына өте байланысты. Ошақтық адгезияда жасуша тартылу күшін тудырады, яғни ол ЭКМ-ді тартады. Осылайша, жасуша ЭКМ қаттылығы мен цитоскелеттік кернеу арасындағы механикалық гомеостазды сақтайды. Бұл гомеостаз динамикалық, өйткені ошақтық адгезиялық кешендер үнемі құрылады, қайта құрылады және ыдырайды, бұл сигнал трандукциясының және жасушалық жауаптардың өзгеруіне әкеледі. Жасушалық сигнализация ЭКМ-нің физикалық және биохимиялық қасиеттерінің нәтижесі болып табылады, ал осы екі жолдың өзара әрекеттесуі жасушалық жауаптарды түсіну үшін маңызды. Мысалы, сүйек морфогенетикалық белок (BMP) – өсу факторы – жеткілікті цитоскелеттік кернеу болмағанда остеогенезді тудыра алмайды. Цитоскелеттік тартылудың көзі – актомиозиннің жиырылуы. Сыртқы қаттылықтың артуы кіші GTPаза Rho және Rho-мен байланысты киназаны (ROCK) белсендіретін сигнал трандукциясы каскадына әкеледі. ROCK өз кезегінде миозиннің жеңіл тізбекті фосфорилирлеуін басқарады, бұл миозин АТФ-аза белсенділігін және актин талшықтарының қысқаруын тудырады, ЭКМ-ді қысқартуға және тартуға себеп болады. ЭКМ қаттылығын ROCK белсенділігімен байланыстыратын нақты механизм белгісіз болса да, ЭКМ қаттылығының артуына жауап ретінде тартылудың күшеюін байқау дюротаксис құбылысын түсіндіруге жеткілікті. Күшті механикалық кері байланыс жасушаны қаттырақ аймаққа қарай тартады, бағыттық қозғалыстың бұрылуына және цитоскелеттік және ошақтық адгезия ұйымына басқа да салдарларға әкеледі. Соңғы зерттеулер жеке ошақтық адгезиялар ЭКМ-нің өзгермейтін қаттылығына жауап ретінде тұрақты тартылу күштерін міндетті түрде көрсетпейтінін көрсетті. Шын мәнінде, кейбір жеке ошақтық адгезиялар тұрақты тартылу күштерін көрсетсе, басқалары қайталанатын тарту және босату циклы түрінде тарту тартылуын көрсетеді. Ошақтық адгезияның қасиеттері – тұрақты немесе тартылатын – көршілеріне тәуелсіз, сондықтан әр ошақтық адгезия автономды түрде әрекет етеді. Бұл тартылу тартылуының басқа жасушалық көшіру формаларына, мысалы, химиотаксис пен гаптотаксиске қажет емес екені, бірақ дюротаксис үшін қажет екені көрсетілді. Ошақтық адгезиялық ақуыздар (FAK/паксилин/винкулин) және олардың фосфорилдануға тәуелді өзара әрекеттесулері, сондай-ақ жасуша ішіндегі асимметриялық таралуы (яғни, қаттылық белсендірілген pFAK арқылы YAP белсенділігі және ядролық транслокация) ЭКМ қаттылықтарының кең ауқымында жоғары тартылу және тартылу тартылуын көрсету үшін қажет. Бұдан әрі, жасушаларды жұмсақ ЭКМ-ге көшіру немесе ROCK-ті тежеу ошақтық адгезияның тұрақты күйден тартылатын күйге өтуіне әкеледі. Осылайша, қаттылықты механосезіну жасушаға жасуша ішіндегі ошақтық адгезия аралығының шешімімен (≈1-5 мкм) матрицаның қаттылығын бағалауға мүмкіндік береді.
Matrices of varying stiffness are commonly engineered for experimental and therapeutic purposes (e. g. collagen matrices for wound healing). Durotactic gradients are simply made by creating 2 dimensional substrates out of polymer (e. g. acrylamide or polydimethylsiloxane) in which the stiffness is controlled by cross linking density, which in turn is controlled by cross linker concentration. The polymer must be coated with a material that the cell can adhere to, such as collagen or fibronectin. The gradients themselves are often synthesized as hydrogels using microfluidic gradient generators followed by photopolymerization. An advancement to this technique is the use of 3D matrices, which are able to guide cell migration in conditions that are more relatable to the natural three dimensional environment of the cell. The site of cellular contact with the extracellular matrix is the focal adhesion, a large, dynamic protein complex that connects the cytoskeleton to the ECM fibers through several organized layers of interacting proteins. Integrins are the outermost proteins and the ones that bind directly to the ECM ligands. However, focal adhesions are quite more than simple anchors their proteins have many roles in signaling. These proteins, such as focal adhesion kinase (FAK), talin, vinculin, paxillin, and α actinin, interact with small GTPases (Rho, Rac, Cdc42) and other signaling pathways in order to relay even small changes in matrix stiffness and consequently respond with changes in cell shape, actomyosin contractility, and cytoskeletal organization. As a result, these changes can cause a cell to rearrange its cytoskeleton in order to facilitate directional migration. A cell's cytoskeleton is a constantly fluctuating network of polymers whose organization greatly depends on the physical environment of the cell. At the focal adhesions, a cell exerts a traction force. In other words, it pulls on the ECM. Thus, the cell maintains a mechanical homeostasis between ECM stiffness and cytoskeletal tension across its focal adhesions. This homeostasis is dynamic, as the focal adhesion complexes are continuously constructed, remodeled, and disassembled. This leads to changes in signal transduction and downstream cellular responses. Cell signaling is a product of both the physical and biochemical properties of the ECM and interaction between these two pathways is crucial to understand cellular responses. For example, bone morphogenetic protein (BMP) a growth factor is unable to induce osteogenesis under insufficient cytoskeletal tension. The source of cytoskeletal traction is actomyosin contractility. Increased external stiffness leads to a signal transduction cascade that activates the small GTPase Rho and Rho associated kinase (ROCK). ROCK, in turn, controls myosin light chain phosphorylation, an event that triggers myosin ATPase activity and the shortening of actin fibers, causing contraction and pulling on the ECM. Though the precise pathway that connects ECM stiffness to ROCK activity is unknown, the observation of increased traction in response to increased ECM stiffness is sufficient to explain the phenomenon of durotaxis. The stronger mechanical feedback would pull the cell towards the stiffer region and cause a bias in directional movement and have other consequences on cytoskeletal and focal adhesion organization. Recent research has revealed that individual focal adhesions do not necessarily exert stable traction forces in response to unchanging ECM stiffness. In fact, while some individual focal adhesions may display stable traction forces, others exhibit tugging traction in the manner of a repeated cycle of tugging and release. The properties of focal adhesions whether stable or tugging are independent of their neighbors and as such, each focal adhesion acts autonomously. This tugging traction has been shown to be dispensable to other forms of cell migration, such as chemotaxis and haptotaxis, but required for durotaxis. The focal adhesion proteins (FAK/paxillin/vinculin) and their phosphorylation dependent interactions as well as their asymmetrical distribution within the cell (i. e. YAP activation and nuclear translocation via stiffness activated pFAK) are required in order to exhibit high traction and tugging traction across a wide range of ECM rigidities. Furthermore, a reduction in focal adhesion tension by transferring cells to softer ECM or by inhibiting ROCK results in focal adhesion switching from stable to tugging states. Thus, rigidity mechanosensing allows a cell to sample matrix stiffness at the resolution of focal adhesion spacing within a cell (≈1 5μm).
Клиникалық маңызы
Физиологиялық жағдайларда дуротаксияның рөлі әлі белгісіз. Ол клетканың сыртқы биохимиялық сигналдарға жауап ретінде қозғалысын дәлдеуге көмектесуі мүмкін, бірақ клетка басқа таксистерге (мысалы, химиотаксис) ұшырасатын физиологиялық ортада дуротаксияның салыстырмалы үлесі белгісіз, тіпті клетканың тірі организмде миграциясы үшін мүлдем қажет емес болуы мүмкін. Бұл құбылыс тіндердің қатаюымен байланысты бірнеше ауруларда да маңызды рөл атқаруы мүмкін, олар төменде сипатталған.
The role of durotaxis under physiological conditions remains unknown. It may serve a purpose in fine tuning the movement response of a cell to extracellular biochemical cues, though the relative contribution of durotaxis in a physiological environment where a cell is subject to other taxes (e. g. chemotaxis) is unknown, and may in fact prove to be wholly dispensable for cell migration in vivo. The phenomenon might also have a role in several disease states that include the stiffening of tissues, as outlined below.
Қатерлі ісік
Ісіктердің айналадағы тіндерден қаттырақ екені жиі байқалады, тіпті бұл өздігінен емделу үшін негіз болып табылады. Шындығында, сүт безінің қатерлі ісігінің тіні қалыпты тінден он есеге дейін қаттырақ болуы мүмкін екені хабарланды. Бұдан әрі, өсіп, метастаздаған ісіктің дамуы фибробластар және эндотелий жасушалары сияқты әртүрлі жасушалардың ынтымақтастығын қамтиды, олардың әрқайсысының қаттылығы әртүрлі, және бұл жасушалардың қозғалысын бағыттайтын жергілікті қаттылық градиенттерін тудыруы мүмкін. Дюротаксистің қатерлі ісік метастаздарының дамуында рөл атқаратынына қатысты дәлелдер көбейіп келеді. Егешқұйрықтарда жүргізілген тәжірибелер ісік жасушаларының қатты коллаген талшықтарымен жақын жердегі стромаға қалаулы түрде енетінін көрсетті. Бұл қатты коллагендік құрылымдарды сүт безі ісігі жасушаларының микроинвазиясының ошақты жерлерін анықтау үшін пайдалануға болады. Жүктілік, емшек қатерлі ісігінің пайда болуымен және оның барысымен байланысты болатын, босанғаннан кейінгі сүт безінің инволюциясын қамтиды, ол коллагенді қайта құруға және қабынуға негізделген, бұл коллаген талшықтарын қаттырақ аналогтарға айналдырады, сонымен қатар жүктілік пен метастаздық қасиеттер арасындағы байланыс орнатылады. Кейбір зерттеулер қатты ісіктердің метастаздың күшеюімен және өмір сүру ұзақтығының қысқаруымен байланысты екенін көрсетеді (бұл дюротаксистік жасушалардың ісікке тартылып, аз метастаздануы керек деген түсінікке қайшы келеді), бірақ бұл интуитивті емес, себебі коллагенге тәуелді интегралин сигналдауы дюротаксистен басқа көптеген салдарға әкеледі, соның ішінде миРНК miR-18a арқылы ісікке қарсы PTEN белгісін тежеу. Сонымен қатар, ісіктің қаттылығының артуы метастаздың азаюымен байланысты екеніне дәлелдер бар, бұл дюротаксис принципіне сәйкес келеді. Бауырдың қаттылығының (бар коллагеннің) өсуі фиброзға дейін жүреді және фиброгенді миофибробластардың белсенділігі үшін қажет. Фибробластар дюротаксис арқылы қатты тіндерге қарай қозғалады. Дюротаксиске тәуелді фиброздың бұл оң кері байланыс циклы бауыр фиброзын алдын алу үшін терапиялық мақсатқа айналуы мүмкін.
It is a common observation that tumors are stiffer than the surrounding tissue, and even serves as the basis for breast cancer self examination. In fact, breast cancer tissue has been reported to be as much as ten times stiffer than normal tissue. Furthermore, a growing and metastasizing tumor involves the cooperation of many different cell types, like fibroblasts and endothelial cells, that possess different rigidities and could result in local stiffness gradients that guide cell migration. There is increasing evidence that durotaxis plays a role in cancer metastasis. Experiments in mice have demonstrated that tumor cells preferentially invade into the adjacent stroma along stiff collagen fibers. These stiff collagen alignments can be used to identify focal sites of breast tumor cell microinvasion. Pregnancy, which has various links to breast cancer incidence and prognosis, involves postpartum breast involution that relies on collagen remodeling and inflammation that converts these collagen fibers into stiffer counterparts, thus establishing a potential link between pregnancy and metastatic properties. Though some research shows that stiffer tumors are indicative of increased metastasis and decreased survival (which contradicts the concept that durotactic cells should be more attracted to the tumor and metastasize less), this is not counter intuitive because collagen dependent integrin signaling has a wide range of consequences beyond durotaxis, including inhibition of the tumor suppressor PTEN via upregulation of the miRNA miR 18a. Moreover, there is evidence that increased tumor stiffness does in fact correlate with decreased metastasis, as the principle of durotaxis would suggest. Increased liver stiffness (of existing collagen) has actually been shown to precede fibrosis and to be required for the activation of fibrogenic myofibroblasts. Fibroblasts move towards the stiffer tissue via durotaxis, This vicious positive feedback loop of durotaxis dependent fibrosis could potentially be a therapeutic target for the prevention of liver fibrosis.
Атеросклероз
Атеросклероз патологиясы көбінесе қан тамырларының тегіс бұлшық еттер клеткаларының (ТБЕК) қан тамырының туника интима қабатына миграциялануына байланысты, онда олар липидтерді жинақтайды, некрозға ұшырайды және ЭКМ (фиброз) өндіреді. Бұл клеткалардың миграциясы қаттылыққа тәуелді екені көрсетілген, ал матрицаның қаттылығы өсу факторларына жауап ретінде олардың көбеюіне қосымша әсер етеді.
The pathology of atherosclerosis is largely dependent on the migration of vascular smooth muscle cells (VSMCs) into the tunica intima layer of the blood vessel, where they can accumulate lipids, undergo necrosis, and elaborate the ECM (fibrosis). The migration of these cells has also been demonstrated to be rigidity dependent, and matrix stiffness further affects their proliferation in response to growth factors.