Кіріспе
Молекулалық сигналдармен басқа жерге өздігінен, реттелген жасушалардың қозғалуы.
Жасушалардың көші-қонуы – көпжасушалы организмдердің дамуы мен күйін сақтаудағы маңызды процесс. Эмбриональдық даму кезінде тіндердің қалыптасуы, жараның жазылуы және иммундық жауаптардың барлығы белгілі бір бағытта, нақты орынға жасушалардың үйлесімді қозғалысын қажет етеді. Жасушалар көбінесе химиялық және механикалық сигналдар сияқты сыртқы сигналдарға жауап ретінде көшіп-қонып отырады. Осы процестегі қателіктер зияны зор салдарларға әкелуі мүмкін, соның ішінде интеллектуалдық қабілеттердің бұзылуы, қан тамырлары аурулары, ісіктердің пайда болуы және метастаздар. Жасушалардың көші-қону механизмін түсіну, мысалы, инвазивті ісік жасушаларын бақылауға бағытталған жаңа емдеу стратегияларын әзірлеуге мүмкіндік береді. Қатты тұтқыр ортада (төмен Рейнольдс санында) жасушалар қозғалу үшін үнемі күш түсіруі керек. Жасушалар әртүрлі механизмдер арқылы белсенді қозғалысқа қол жеткізеді. Көптеген қарапайым прокариоттық организмдер (және сперматозоидтар) өздерін қозғалту үшін қамшылар немесе кірпікшелерді пайдаланады. Эукариотикалық жасушалардың көші-қонуы көбінесе әлдеқайда күрделі болады және әртүрлі көші-қон механизмдерінің комбинациясынан тұрады. Бұл, әдетте, цитоскелеттің әсерінен болатын жасуша пішінінің күрт өзгеруін қамтиды. Екі ерекше көші-қон сценарийі – сырғу қозғалысы (ең көп зерттелгені) және көпіршік пайда болу қозғалысы. Сырғу қозғалысының классикалық мысалы – балықтың эпидермалық кератоциттері, олар зерттеу және оқытуда кеңінен қолданылады.
Cell migration is a central process in the development and maintenance of multicellular organisms. Tissue formation during embryonic development, wound healing and immune responses all require the orchestrated movement of cells in particular directions to specific locations. Cells often migrate in response to specific external signals, including chemical signals and mechanical signals. Errors during this process have serious consequences, including intellectual disability, vascular disease, tumor formation and metastasis. An understanding of the mechanism by which cells migrate may lead to the development of novel therapeutic strategies for controlling, for example, invasive tumour cells. Due to the highly viscous environment (low Reynolds number), cells need to continuously produce forces in order to move. Cells achieve active movement by very different mechanisms. Many less complex prokaryotic organisms (and sperm cells) use flagella or cilia to propel themselves. Eukaryotic cell migration typically is far more complex and can consist of combinations of different migration mechanisms. It generally involves drastic changes in cell shape which are driven by the cytoskeleton. Two very distinct migration scenarios are crawling motion (most commonly studied) and blebbing motility. A paradigmatic example of crawling motion is the case of fish epidermal keratocytes, which have been extensively used in research and teaching.
Көші-қонның молекулалық процестері
Жасушаның алдыңғы жиегін қалай жылжытатыны туралы екі негізгі теория бар: цитоскелеттік модель және мембраналық ағын модельі. Бұл екі процестің екеуі де жасушаның созылуына үлес қосуы мүмкін.
Алдыңғы жиегі
Эксперименттер көрсеткендей, жасушаның алдыңғы шетінде актиннің жылдам полимерленуі жүреді. Осы байқау актин филаменттерінің қалыптасуы алдыңғы жиекті алға итеруге және жасушаның алдыңғы жиегін жылжытудың басты қозғаушы күші болуға мүмкіндік береді деген гипотезаға әкелді. Сонымен қатар, цитоскелеттік элементтер жасушаның плазмалық мембранасымен кең ауқымда және тығыз байланысқа түсе алады.
Соңғы жиегі
Цитоскелеттің басқа компоненттері (микротубулалар сияқты) жасушалардың қозғалысында маңызды рөл атқарады. Микротубулалар жасуша қозғалысы кезінде артқы жиектің кері тартылуына қажетті жиырылғыш күштерге қарсы тұратын "тірек" ретінде жұмыс істейтіні анықталды. Жасушаның артқы жиегіндегі микротубулалар динамикалық болса, олар кері тартылуға мүмкіндік беретіндей өзгеріске ұшырай алады. Динамикасы шектелгенде, микротубулалар өзгермейді де, сол себепті жиырылғыш күштерге қарсы келеді. Микротубула динамикасы шектелген жасушалардың морфологиясы, жасушалардың алдыңғы жиегін (қозғалыс бағытында поляризацияланған) созуға қабілетті екенін, бірақ артқы жиегін кері тартуда қиындық туындайтынын көрсетеді. Екінші жағынан, жоғары дәрі концентрациясы немесе микротубулаларды ыдырататын микротубулалық мутациялар жасушалардың қозғалысын қалпына келтіре алады, бірақ бағыттылығы төмендейді. Сонымен, микротубулалар жасушалардың қозғалысын шектеумен қатар, бағыттылығын да анықтайды.
Мембрана ағыны моделі (B)
Көшіп жүретін жасушаның алдыңғы жиегі – эндоциттік цикл аяқталғанда ішкі мембрана резервуарларынан мембрана жасуша бетіне қайтарылатын орын. Бұл алдыңғы жиектің ұзаруы жасушаның алдыңғы бөлігіне мембрана қосылуы арқасында жүреді дегенді білдіреді. Егер осылай болса, онда сол жерде қалыптасатын актин талшықтары қосылған мембрананы тұрақтандырып, құрылымды кеңейтім немесе ламелланың пайда болуын қамтамасыз етеді – алдыңғы бөлігінде көпіршік сияқты құрылым (немесе блеп) емес. Жасушаның қозғалуы үшін оның алдына жаңа "аяқтар" (интегриндер деп аталатын, жасушаның қозғалатын бетіне жабысатын ақуыздар) жеткізілуі қажет. Бұл "аяқтар" эндоцитоз арқылы жасушаның артқы жағына қарай жұмылып, экзоцитоз арқылы алдыңғы жағына жеткізіліп, субстратқа жаңа байланыстар құру үшін қайта пайдаланылуы мүмкін. Dictyostelium amoebae мысалында, мембрананы қайта өңдеуге кедерес келтіретін және шектеуші (жоғары) температурада жасушаның қозғалысын тоқтататын үш шартты температураға сезімтал мутанттар бар; олар жасушаның қозғалысында эндоциттік циклдің маңыздылығын қосымша дәлелдейді. Бұған қоса, бұл амебалар өте жылдам қозғалады – шамамен бір жасуша ұзындығына 5 минутта жетеді. Егер оларды цилиндр тәрізді деп есептесек (химотаксис кезінде бұл шамамен дұрыс), онда олар 5 минут сайын бір жасуша бетінің ауданына тең мембрананы қайта өңдеуі керек, ал өлшеу нәтижелері де осыған сәйкес келеді.
Амебоидтардың көшіп-қонуының механистік негізі
Еукариоттық жасушалардың көшіп-қонуының жалғыз түрі – жабысқақ қозғалыс емес. Бірнеше жасуша түрлері – Dictyostelium amoebae, нейтрофилдер, метастаздық қатерлі ісік жасушалары және макрофагтар – жабысудан тәуелсіз көшіп кетуге қабілетті екені анықталды. Тарихи тұрғыдан алғанда, физик Э. М. Перселл (1977 жылы) төмен Рейнольдс санының жағдайларындағы сұйықтық динамикасы, яғни жасушалық деңгейде қолданылатыны, артқа қарайғы беттік ағынның микроскопиялық нысандардың алға жылжу механизмін қамтамасыз ете алатынын болжады. Бірнеше онжылдықтан кейін, бұл жасуша қозғалысы моделіне эксперименталдық қолдау табылды, ол кезде (2010 жылы) амебоидты жасушалар мен нейтрофилдердің екеуі де изоденстік ортада тоқтап тұрғанда, хемоаттрактантқа қарай химиотаксис жасай алатыны анықталды. Кейіннен оптогенетиканы қолдану арқылы, жабысусыз амебоидты түрде көшіп-қонушы жасушалардың плазмалық мембрана ағыны жасушаның артқы жағына қарай жылжып, оны қоршаған сұйықтыққа тангенциалды күш түсіру арқылы жылға жылғалы қозғалысқа келтіре алатыны көрсетілді. Мембрананың артқы жағынан алдыңғы жағына қарай поляризацияланған тасымалы жасушаның көлемін сақтауға көмектеседі. Бұл байқаулар жасуша қозғалысының артқа қарайғы жасуша беті мембрана ағынына тәуелді модельдерін (жоғарыдағы B моделі) нығайтады. Қызығы, ұлпалық кластерлердің көшіп-қонуы да осыған ұқсас механизм арқылы жүзеге асырылады. [[Файл:Жасуша қозғалысының ұжымдық механизмі.jpg|thumb|upright=1.5|Жасуша қозғалысының ұжымдық биомеханикалық және молекулалық механизмінің схемалық бейнесі. Бұл модельге сәйкес, микродомендер цитоскелеттің құрылымын тоқып, олардың өзара әрекеттесуі жаңа жабысу орындарының қалыптасуын белгілейді. Микродомендік сигналдық динамика цитоскелетті және оның субстратпен өзара әрекеттесуін ұйымдастырады. Микродомендер актин талшықтарының белсенді полимерленуін іске қосып, ұстап тұрғаны үшін олардың мембранадағы таралуы мен зигзаг тәрізді қозғалысы жасуша шекарасына қарай кең спектрдегі бұрыштарда бағытталған қисық немесе түзу сызықты талшықтар желісін жасайды. Сондай-ақ, микродомендік өзара әрекеттесу жасуша перифериясындағы жаңа ошақтық жабысу орындарының пайда болуын белгілейді деп болжанады. Миозиннің актин желісімен өзара әрекеттесуі мембрананың кері тартылуы/сыпырылуы, кері ағысы және алға жылжу үшін созылу күштерін тудырады. Соңында, ескі ошақтық жабысу орындарына үздіксіз күш түсіру кальцийдің әсерімен кальпаинды белсендіруге, содан кейін ошақтық жабысулардың ажырауына әкеледі, бұл циклді аяқтайды.
Көшіп-қонушы жасушалардағы полярлық
Көшіп-қонушы жасушалардың полярлығы болады – алдыңғы және артқы бөліктері. Егер полярлық болмаса, олар бірден барлық бағытта қозғалып, таралып кетер еді. Бұл полярлық жасуша ішінде молекулалық деңгейде қалай қалыптасатыны әлі белгісіз. Кездейсоқ қимылдап жүрген жасушада алдыңғы бөлігі оңай пассивке айналып, жасушаның басқа аймақтары жаңа алдыңғы бөлік құрауы мүмкін. Хемотаксис жасайтын жасушаларда, жасуша стимулятордың жоғары концентрациясына қарай жылжығанда, алдыңғы бөліктің тұрақтылығы артады. Биофизикалық тұрғыдан қарағанда, полярлық жасушаның алдыңғы және артқы жиектері арасындағы ішкі мембрана бетінің заряд градиенті арқылы түсіндіріледі. Бұл полярлық молекулалық деңгейде белгілі бір молекулалардың жасуша ішкі бетінің нақты аймақтарымен шектелуі арқылы көрінеді. Яғни, фосфолипид PIP3 және белсенді Rac және CDC42 жасушаның алдыңғы жағында, ал Rho GTPase және PTEN артқы жағында орналасқан. Жасушаның полярлығын құру және сақтауда жіп тәрізді актиндер мен микротубулалардың маңызды екені саналады. Актин талшықтарын жоятын препараттардың әсері көп және күрделі, бұл талшықтардың көптеген жасуша процестерінде атқаратын маңызды рөлін көрсетеді. Қозғалыс процесінің бөлігі ретінде мембраналық көпіршіктер осы талшықтар арқылы жасушаның алдыңғы жағына тасымалдануы мүмкін. Хемотаксис жасайтын жасушаларда мақсатқа қарай көші-қонның тұрақтылығының артуы жасуша ішіндегі жіп тәрізді құрылымдардың орналасуының тұрақтылығының артуынан және оның полярлығын анықтауынан туындауы мүмкін. Бұл жіп тәрізді құрылымдар жасушаның ішкі мембранасында PIP3 және PTEN сияқты молекулалардың орналасуына сәйкес орналасуы мүмкін. Ал олардың орналасуы химиялық тартымдылық сигналдарының жасушаның сыртқы бетіндегі нақты рецепторларға әсер етуі арқылы анықталады. Микротубулалар жасушалардың көшіп-қонуына көп жылдар бойы әсер ететіні белгілі болғанымен, олардың бұл әрекетінің механизмі әлі де даулы. Жазық бетте микротубулалар қозғалыс үшін қажет емес, бірақ олар жасуша қозғалысына бағыт беру және алдыңғы жиектің тиімді шығуына көмектеседі. Микротубулалардың динамикасы препараттармен немесе тубулин мутацияларымен тежелген кезде, олар жасушаның қозғалысын баяулатады. Бұл жұмыста жасалған математикалық модельдер тірі жасушалардың кескіндер тізбектерін талдау арқылы жасушалардың физикалық ерекшеліктері мен материалдық қасиеттерін жергілікті деңгейде анықтайды және осы ақпаратты жасушалардағы молекулалық құрылымдар, динамика және процестер туралы қосымша тұжырымдар жасауға пайдаланады, мысалы актин желісі, микродомендер, хемотаксис, адгезия және кері ағын.