Жасуша-матрица байланыстары: құрылымы, функциясы және сигналдау жолдары
Focal adhesion
Жасушалық байланыстар (focal adhesions): жасуша мен матрица арасындағы механикалық күштерді, сигналдарды жеткізетін құрылымдар. Биология, цитоскелет, интеграция.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жасуша биологиясында ошақтық адгезиялар (сондай-ақ жасуша-матрицалық адгезиялар немесе FА) – жасушадан тыс матрица (ECM) мен өзара әрекеттесетін жасуша арасында механикалық күш пен реттеуші сигналдардың берілуін қамтамасыз ететін ірі макромолекулалық құрылымдар. Нақтырақ айтқанда, ошақтық адгезиялар – ECM адгезиясына жауап ретінде жасушаның реттеуші әсерлерін (яғни, сигнал беру процестерін) жүзеге асыратын субклеткалық құрылымдар. Ошақтық адгезиялар ECM-ге механикалық байланыс ретінде және интегралиндердің байланысуы мен кластерлену орындарында көптеген сигналдық ақуыздарды шоғырландырып, бағыттау үшін биохимиялық сигнал беру орталығы ретінде қызмет етеді.
In cell biology, focal adhesions (also cell–matrix adhesions or FAs) are large macromolecular assemblies through which mechanical force and regulatory signals are transmitted between the extracellular matrix (ECM) and an interacting cell. More precisely, focal adhesions are the sub cellular structures that mediate the regulatory effects (i. e., signaling events) of a cell in response to ECM adhesion. Focal adhesions serve as the mechanical linkages to the ECM, and as a biochemical signaling hub to concentrate and direct numerous signaling proteins at sites of integrin binding and clustering.
Құрылымы мен қызметі
Фокалды адгезиялар – интегралды, көпбелгілі құрылымдар, олар көптеген жасуша түрлерінде жасушаішілік актин шоғырлары мен жасуша сыртындағы субстрат арасында механикалық байланыстар құрайды. Фокалды адгезиялар – бұл үлкен, динамикалық белок кешендері, олар арқылы жасушаның цитоскелеті ЭКМ-мен байланысады. Олар жасушаның нақты анықталған аймақтарымен шектеледі, онда плазмалық мембрана ЭКМ субстратына 15 нм-ге дейін жақындайды. Фокалды адгезиялар тұрақты түрде өзгеріп отырады: белоктар олармен үнемі байланысып, ажырасып отырады, себебі сигналдар жасушаның басқа бөліктеріне беріледі, бұл жасушаның қозғалу қабілетінен бастап жасуша цикліне дейін әртүрлі процестерге қатысты. Фокалды адгезиялар 100-ден астам әртүрлі белокты қамти алады, бұл олардың кең функционалдық әртүрлілігін көрсетеді. Олар жасушаны бекітумен ғана шектеліп қоймай, сигнал тасымалдаушы (сенсор) ретінде де қызмет етеді, жасушаға ЭКМ жағдайы туралы хабар береді және осылайша олардың мінез-құлқына әсер етеді. Қозғалмайтын жасушаларда фокалды адгезиялар қалыпты жағдайда тұрақты болады, ал қозғалатын жасушаларда олардың тұрақтылығы төмендейді: себебі қозғалмалы жасушаларда фокалды адгезиялар үнемі құрастырылып, ыдырайды, өйткені жасуша алдыңғы жиегінде жаңа байланыстар орнатылып, артқы жиегінде ескі байланыстар үзіледі. Олардың маңызды рөлінің бір мысалы иммундық жүйеде көрінеді, онда ақ қан жасушалары жасушалық сигналдарға жауап ретінде зақымдалған биологиялық тіндерге қарай жалғаушы эндотелий бойымен қозғалады.
Focal adhesions are integrin containing, multi protein structures that form mechanical links between intracellular actin bundles and the extracellular substrate in many cell types. Focal adhesions are large, dynamic protein complexes through which the cytoskeleton of a cell connects to the ECM. They are limited to clearly defined ranges of the cell, at which the plasma membrane closes to within 15 nm of the ECM substrate. Focal adhesions are in a state of constant flux: proteins associate and disassociate with it continually as signals are transmitted to other parts of the cell, relating to anything from cell motility to cell cycle. Focal adhesions can contain over 100 different proteins, which suggests a considerable functional diversity. More than anchoring the cell, they function as signal carriers (sensors), which inform the cell about the condition of the ECM and thus affect their behavior. In sessile cells, focal adhesions are quite stable under normal conditions, while in moving cells their stability is diminished: this is because in motile cells, focal adhesions are being constantly assembled and disassembled as the cell establishes new contacts at the leading edge, and breaks old contacts at the trailing edge of the cell. One example of their important role is in the immune system, in which white blood cells migrate along the connective endothelium following cellular signals to damaged biological tissue.
Морфология
Фокальды адгезиялар мен жасушадан тыс матрицаның ақуыздары арасындағы байланыс көбінесе интегралдар арқылы жүзеге асырылады. Интегралдар жасушадан тыс ақуыздарға қысқа аминоқышқыл тізбектері арқылы, мысалы, RGD мотиві (фибронектин, ламинин немесе витронектин сияқты ақуыздарда кездеседі) немесе коллагенде кездесетін DGEA және GFOGER мотивтері арқылы байланысады. Интегралдар – бір бета және бір альфа-бөлімшеден тұратын гетеродимерлер. Бұл бөлімшелер әртүрлі нысандарда кездеседі, олардың сәйкес лигандалары осы рецепторларды төрт топқа бөледі: RGD рецепторлары, ламинин рецепторлары, лейкоциттерге тән рецепторлар және коллаген рецепторлары. Жасуша ішінде интегралдың жасуша ішіндегі домені цитоскелетке талин, α-актинин, филамин, винкулин және тензин сияқты адаптерлік ақуыздар арқылы байланысады. Көптеген басқа жасушаішілік сигналдық ақуыздар, мысалы, фокальды адгезия киназасы, осы интеграл адаптерлік ақуыз – цитоскелет кешенімен байланысып, онымен әрекеттеседі, және бұл фокальды адгезияның негізін құрайды.
Connection between focal adhesions and proteins of the extracellular matrix generally involves integrins. Integrins bind to extra cellular proteins via short amino acid sequences, such as the RGD motif (found in proteins such as fibronectin, laminin, or vitronectin), or the DGEA and GFOGER motifs found in collagen. Integrins are heterodimers which are formed from one beta and one alpha subunit. These subunits are present in different forms, their corresponding ligands classify these receptors into four groups: RGD receptors, laminin receptors, leukocyte specific receptors and collagen receptors. Within the cell, the intracellular domain of integrin binds to the cytoskeleton via adapter proteins such as talin, α actinin, filamin, vinculin and tensin. Many other intracellular signalling proteins, such as focal adhesion kinase, bind to and associate with this integrin adapter protein–cytoskeleton complex, and this forms the basis of a focal adhesion.
Көшіп-қонушы жасушалардағы жабысу динамикасы
Клеткалардың қозғалысында фокустық жабысулардың динамикалық құрастырылуы және ыдырауы орталық рөл атқарады. Клеткалардың қозғалысы кезінде фокустық жабысудың құрамы да, морфологиясы да өзгереді. Алғашқыда, жасушаның алдыңғы шетіндегі ламеллиподияларда кішкентай (0,25 мкм2) фокустық адгезиялар – фокустық кешендер (ФК) пайда болады: олар интеграндардан және талин, паксилин және тензин сияқты кейбір адаптерлік ақуыздардан тұрады. Көптеген фокустық кешендер жетілмейді және ламеллиподиялар кері тартылғанда ыдырайды. Дегенмен, кейбір фокустық кешендер үлкен және тұрақты фокустық адгезияларға айналып, зиксин сияқты көптеген ақуыздарды тартады. Компоненттердің фокустық жабысуға қосылуы реттелген, сатылап жүзеге асады. Орнына келгеннен кейін, фокустық жабысу экстрацеллюлярлық матрицаға қатысты қозғалмайды және жасуша оны ECM-ге итеріліп немесе тартылып қозғалуға мүмкіндік беретін тірек ретінде пайдаланады. Клетка таңдаған жолымен ілгерілеген сайын, нақты фокустық жабысу клетканың артқы шетіне жақындай береді. Клетканың артқы шетінде фокустық жабысуды ыдырату қажет. Бұл механизм әлі толыққанды түсініксіз және жасушаның жағдайына байланысты әртүрлі жолдармен басталуы мүмкін. Мүмкін, кальцийге тәуелді протеаза кальпаин қатысады: кальпаинды тежеу фокустық адгезияның ЭКМ-нен бөлінуін тежеуге әкелетіні көрсетілген. Фокустық жабысу компоненттері белгілі кальпаин субстраттарының қатарына жатады және кальпаин осы компоненттерді ыдыратып, фокустық жабысудың ыдырауына көмектесуі мүмкін.
The dynamic assembly and disassembly of focal adhesions plays a central role in cell migration. During cell migration, both the composition and the morphology of the focal adhesion change. Initially, small (0.25μm2) focal adhesions called focal complexes (FXs) are formed at the leading edge of the cell in lamellipodia: they consist of integrin, and some of the adapter proteins, such as talin, paxillin and tensin. Many of these focal complexes fail to mature and are disassembled as the lamellipodia withdraw. However, some focal complexes mature into larger and stable focal adhesions, and recruit many more proteins such as zyxin. Recruitment of components to the focal adhesion occurs in an ordered, sequential manner. Once in place, a focal adhesion remains stationary with respect to the extracellular matrix, and the cell uses this as an anchor on which it can push or pull itself over the ECM. As the cell progresses along its chosen path, a given focal adhesion moves closer and closer to the trailing edge of the cell. At the trailing edge of the cell the focal adhesion must be dissolved. The mechanism of this is poorly understood and is probably instigated by a variety of different methods depending on the circumstances of the cell. One possibility is that the calcium dependent protease calpain is involved: it has been shown that the inhibition of calpain leads to the inhibition of focal adhesion ECM separation. Focal adhesion components are amongst the known calpain substrates, and it is possible that calpain degrades these components to aid in focal adhesion disassembly
Актиннің ретроградты ағыны
Жаңа пайда болған фокустық жабысулар ретроградтық актин ағыны процесіне өте тәуелді. Бұл – қозғалатын жасушадағы құбылыс, онда актин талшықтары алдыңғы шетінде полимерленіп, жасуша денесіне қарай ағып келеді. Бұл қозғалу үшін қажетті тартылу күшінің көзі; фокустық жабысу ЭКМ-ге бекіген кезде молекулалық кездейсоқ ретінде әрекет етеді және актиннің кері қозғалысын тоқтатады, осылайша жасушаның алға жылжуы үшін қажетті жабысу орнында тарту (тартылу) күшін жасайды. Бұл тартылыс күшін тартылыс күші микроскопиясы арқылы көруге болады. Актиннің кері ағынын түсіндіру үшін жиі қолданылатын метафора – көптеген адамдардың өзенмен ағызылуы. Олар ағып бара жатқанда, жағадағы тастар мен бұтақтарға ілініп, ағыстарын тоқтатады. Осылайша, олар ілініп тұрған тасқа немесе бұтаққа тартылу күші туындайды. Бұл күштер фокустық жабысулардың сәтті құралуы, өсуі және жетілуі үшін қажет.
The assembly of nascent focal adhesions is highly dependent on the process of retrograde actin flow. This is the phenomenon in a migrating cell where actin filaments polymerize at the leading edge and flow back towards the cell body. This is the source of traction required for migration; the focal adhesion acts as a molecular clutch when it tethers to the ECM and impedes the retrograde movement of actin, thus generating the pulling (traction) force at the site of the adhesion that is necessary for the cell to move forward. This traction can be visualized with traction force microscopy. A common metaphor to explain actin retrograde flow is a large number of people being washed downriver, and as they do so, some of them hang on to rocks and branches along the bank to stop their downriver motion. Thus, a pulling force is generated onto the rock or branch that they are hanging on to. These forces are necessary for the successful assembly, growth, and maturation of focal adhesions.
Табиғи биомеханикалық сенсор
Клеткадан тыс механикалық күштер, фокалды жабысулар арқылы жүзеге асырылатын, Src-киназаны белсендіріп, жабысулардың өсуін күшейте алады. Бұл фокалды жабысулардың механикалық сенсорлар ретінде жұмыс істеуі мүмкін екенін көрсетеді және миозин талшықтары тудыратын күш фокалды кешендердің қалыпқа келуіне үлес қосуы мүмкін деген жорамалға негіз береді. Бұл факті миозин тудыратын күштерді тежеудің фокалды жабысу ақуыздарының алмасу кинетикасын өзгертіп, фокалды жабысулардың жай бөлшектенуіне алып келетінімен қосымша расталады. Дегенмен, фокалды жабысуларға түсетін күштер мен олардың құрамының қалыпқа келуі арасындағы байланыс әлі де толыққанды анықталған жоқ. Мысалы, миозин активтілігін немесе стресс-талшықтардың құралуын тежеу арқылы фокалды жабысудың қалыпқа келуіне кедеріс келтіру, фокалды жабысулардың қолдайтын күштерін тоқтатуға немесе жасушалардың қозғалуына тосқауыл қоймайды. Осылайша, фокалды жабысу арқылы күштің таралуы барлық уақытта және күш деңгейлерінде жасушалармен тікелей сезілмеуі мүмкін. Олардың механосезінудегі рөлі дуротаксис үшін маңызды.
Extracellular mechanical forces, which are exerted through focal adhesions, can activate Src kinase and stimulate the growth of the adhesions. This indicates that focal adhesions may function as mechanical sensors, and suggests that force generated from myosin fibers could contribute to maturing the focal complexes. This gains further support from the fact that inhibition of myosin generated forces leads to slow disassembly of focal adhesions, by changing the turnover kinetics of the focal adhesion proteins. The relationship between forces on focal adhesions and their compositional maturation, however, remains unclear. For instance, preventing focal adhesion maturation by inhibiting myosin activity or stress fiber assembly does not prevent forces sustained by focal adhesions, nor does it prevent cells from migrating. Thus force propagation through focal adhesions may not be sensed directly by cells at all time and force scales. Their role in mechanosensing is important for durotaxis.