Введение

Движение организма или сущности в ответ на химический стимул

Химотаксис (от chemo + taxis) – это движение организма или сущности в ответ на химический стимул. Соматические клетки, бактерии и другие одноклеточные или многоклеточные организмы направляют свои движения в соответствии с определенными химическими веществами в окружающей среде. Это важно для бактерий, чтобы находить пищу (например, глюкозу), перемещаясь к наивысшей концентрации молекул пищи, или избегать ядов (например, фенола). У многоклеточных организмов химотаксис критически важен для раннего развития (например, движение сперматозоидов к яйцеклетке при оплодотворении) и развития (например, миграция нейронов или лимфоцитов), а также для нормальной функции и здоровья (например, миграция лейкоцитов при травме или инфекции). Кроме того, установлено, что механизмы, обеспечивающие химотаксис у животных, могут быть нарушены при метастазировании рака. Нарушенный химотаксис лейкоцитов и лимфоцитов также способствует развитию воспалительных заболеваний, таких как атеросклероз, астма и артрит. Субклеточные компоненты, такие как участок полярности, формирующийся у дрожжей при спаривании, также могут демонстрировать химотактическое поведение. Положительный химотаксис наблюдается, когда движение направлено к более высокой концентрации химического вещества; отрицательный химотаксис – когда движение происходит в противоположном направлении. Химически индуцированный кинез (случайно направленный или ненаправленный) может называться химиокинезом.

История исследований химиотаксиса

Хотя миграция клеток была замечена с первых дней развития микроскопии Левенгуком, лекция в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) о химиотаксису утверждает, что "подробное описание химиотаксиса впервые было дано только Т. В. Энгельманом (1881) и В. Ф. Пфеффером (1884) у бактерий, а также Х. С. Дженнингсом (1906) у инфузорий". Лауреат Нобелевской премии И. И. Мечников также внес вклад в изучение этой области в период с 1882 по 1886 год, исследуя этот процесс как начальный этап фагоцитоза. Значимость химиотаксиса в биологии и клинической патологии была общепризнана в 1930-х годах, и к этому времени были сформулированы наиболее фундаментальные определения, лежащие в основе этого явления. Важнейшие аспекты контроля качества при проведении анализов на химиотаксис были описаны Х. Харрисом в 1950-х годах. В 1960-х и 1970-х годах революция в современной клеточной биологии и биохимии предоставила ряд новых методик, которые стали доступны для изучения мигрирующих реагирующих клеток и субклеточных фракций, ответственных за химиотаксическую активность. Доступность этих технологий привела к открытию C5a – ключевого химиотаксического фактора, участвующего в остром воспалении. Пионерские работы Дж. Адлера модернизировали капиллярный метод Пфеффера и стали важным поворотным моментом в понимании всего процесса внутриклеточной передачи сигналов у бактерий.

Поведение

Общее движение бактерии является результатом чередования фаз кувыркания и плавания, называемых движением «бег-кувырок». В результате траектория бактерии, плавающей в однородной среде, представляет собой случайное блуждание с относительно прямыми участками плавания, прерываемыми случайными кувырками, которые переориентируют бактерию. Бактерии, такие как E. coli, не способны выбирать направление плавания и не могут плыть по прямой более нескольких секунд из-за вращательной диффузии; другими словами, бактерии «забывают» направление своего движения. Постоянно оценивая свой путь и корректируя его при движении в неверном направлении, бактерии могут направлять свое случайное блуждание к благоприятным местам. В присутствии химического градиента бактерии проявляют хемотаксис, то есть направляют общее движение в соответствии с градиентом. Если бактерия ощущает, что движется в правильном направлении (к аттрактанту/от репеллента), она будет дольше плыть по прямой перед кувырком; однако, если она движется в неправильном направлении, кувырок произойдет раньше. Бактерии, такие как E. coli, используют временное зондирование, чтобы определить, улучшается ли их положение, и таким образом находят место с наивысшей концентрацией аттрактанта, обнаруживая даже небольшие различия в концентрации. Это смещенное случайное блуждание является результатом простого выбора между двумя способами случайного движения, а именно кувырком и прямым плаванием. Спиральная структура отдельных жгутиковых нитей критически важна для осуществления этого движения. Белковая структура, составляющая жгутиковую нить – флагеллин – сохраняется у всех жгутиковых бактерий. Позвоночные, по-видимому, воспользовались этим фактом, обладая иммунным рецептором (TLR5), предназначенным для распознавания этого консервативного белка. Как и во многих случаях в биологии, существуют бактерии, которые не следуют этому правилу. Многие бактерии, такие как Vibrio, являются монофлагеллатными и имеют единственный жгутик на одном полюсе клетки. Их метод хемотаксиса отличается. Другие обладают единственным жгутиком, который находится внутри клеточной стенки. Эти бактерии двигаются, вращая всю клетку, имеющую форму штопора.

Трансдукция сигнала

Химические градиенты воспринимаются посредством множества трансмембранных рецепторов, называемых метилопринимающими белками хемотаксиса (MCP), различающихся по распознаваемым молекулам. В бактериальном царстве известно о тысячах рецепторов MCP, кодируемых генами. Эти рецепторы могут связывать аттрактанты или репелленты напрямую или опосредованно, через взаимодействие с белками периплазматического пространства. Сигналы от этих рецепторов передаются через плазматическую мембрану в цитозоль, где активируются белки Che. Белки Che изменяют частоту переворотов и модифицируют сами рецепторы. CheA, в свою очередь, передает фосфорильные группы на консервативные остатки аспартата в регуляторах ответа CheB и CheY; CheA является гистидинкиназой и не осуществляет активную передачу фосфорильной группы, а регулятор ответа CheB принимает фосфорильную группу от CheA. Этот механизм передачи сигнала называется двухкомпонентной системой и является распространенной формой передачи сигнала у бактерий. CheY индуцирует перевороты, взаимодействуя с белком переключателя жгутика FliM, вызывая изменение направления вращения жгутика с против часовой стрелки на по часовой стрелке. Изменение направления вращения одного жгутика может дестабилизировать весь пучок жгутиков и привести к перевороту.

Регулирование рецептора

CheB, активируемый CheA, действует как метилестераза, удаляя метильные группы из остатков глутамата на цитозольной стороне рецептора; он действует антагонистически с CheR, метилтрансферазой, которая добавляет метильные группы к тем же остаткам глутамата. MCP перестают реагировать на аттрактант, когда они полностью метилированы; поэтому, даже если концентрация аттрактанта может оставаться высокой, уровень CheA P (и CheB P) возрастает, и клетка начинает кувыркаться. Помимо необходимости бактериям ориентироваться по химическим градиентам, в увеличении абсолютной величины чувствительности на определенном фоне участвуют и другие механизмы. Хорошо изученными примерами являются ультрачувствительный ответ мотора на сигнал CheY P и кластеризация хеморецепторов.

Химиоаттракторы и химиорепелленты

Химиоаттрактанты и химиорепелленты – это неорганические или органические вещества, обладающие способностью индуцировать химиотаксис в подвижных клетках. Эти химиотактические лиганды создают градиенты химической концентрации, к которым организмы, как прокариоты, так и эукариоты, перемещаются соответственно – в направлении аттрактанта или от репеллента. Эффекты химиоаттрактантов реализуются посредством химиорецепторов, таких как метил-акцептирующие белки химиотаксиса (MCP). К MCP у E. coli относятся Tar, Tsr, Trg и Tap. Рибоза и галактоза являются химиоаттрактантами для Trg, а фенол – химиорепеллентом. Tap и Tsr распознают дипептиды и серин как химиоаттрактанты, соответственно. Неацилированные метионинилпептиды не оказывают химиоаттрактивного действия на нейтрофилы и макрофаги. ГТФ и АТФ являются химиорепеллентами в микромолярных концентрациях для Tetrahymena и Paramecium. Эти организмы избегают этих молекул, проявляя избегающие реакции для переориентации в направлении, противоположном градиенту.

Химотаксис эукариотов

Механизм хемотаксиса, используемый эукариотическими клетками, значительно отличается от механизма бактерии E. coli; однако восприятие химических градиентов по-прежнему является ключевым этапом процесса. Из-за малого размера и других биофизических ограничений E. coli не может напрямую обнаруживать градиент концентрации. Вместо этого они используют временное восприятие градиента, перемещаясь на расстояния, в несколько раз превышающие их ширину, и измеряя скорость изменения воспринимаемой химической концентрации. Эукариотические клетки намного крупнее прокариотических и имеют рецепторы, равномерно встроенные во всю клеточную мембрану. У прокариот этот механизм включает метилирование рецепторов, называемых метил-акцепторными белками хемотаксиса (МКП). LEGI включает баланс между быстрым возбуждением и замедленным ингибированием, который контролирует нисходящую передачу сигналов, такую как активация Ras и продукция PIP3. Уровни рецепторов, внутриклеточные сигнальные пути и эффекторные механизмы представляют собой разнообразные компоненты эукариотического типа. В эукариотических одноклеточных клетках амебоидное движение и реснички или эукариотический жгутик являются основными эффекторами (например, амеба или тетрахимена). Некоторые эукариотические клетки высших позвоночных, такие как иммунные клетки, также перемещаются к месту назначения. Помимо иммунокомпетентных клеток (гранулоцитов, моноцитов, лимфоцитов), большая группа клеток, ранее считавшихся фиксированными в тканях, также подвижна в особых физиологических (например, тучные клетки, фибробласты, эндотелиальные клетки) или патологических условиях (например, метастазы). Хемотаксис имеет большое значение на ранних стадиях эмбриогенеза, поскольку развитие зародышевых листков направляется градиентами сигнальных молекул.

Мотильность

В отличие от подвижности при бактериальной хемотаксисе, механизм, посредством которого эукариотические клетки физически перемещаются, остаётся неясным. Существуют механизмы, посредством которых внешний хемотактический градиент воспринимается и преобразуется во внутриклеточный градиент PIP3, что приводит к формированию градиента и активации сигнального пути, завершающегося полимеризацией актиновых филаментов. Растущий дистальный конец актиновых филаментов устанавливает связи с внутренней поверхностью плазматической мембраны через различные наборы пептидов, что приводит к образованию передних псевдоподий и задних уроподий. Реснички эукариотических клеток также могут обеспечивать хемотаксис; в этом случае это в основном Ca2+ - зависимая индукция микротрубочковой системы базального тельца и ритмичное движение 9+2 микротрубочек внутри ресничек. Оркестрованное биение сотен ресничек синхронизируется подмембранной системой, сформированной между базальными тельцами. Детали сигнальных путей до сих пор полностью не выяснены.

Миграционные реакции, связанные с химиотаксисом

Хемотаксис – это направленная миграция клеток в ответ на химические градиенты; существует несколько вариантов химически индуцированной миграции, перечисленных ниже. Хемокинез – это увеличение клеточной подвижности в ответ на химические вещества в окружающей среде. В отличие от хемотаксиса, миграция, стимулируемая хемокинезом, не имеет выраженной направленности, а вместо этого усиливает поведение, связанное с изучением окружающей среды. При гаптотаксисе градиент хемоаттрактанта представлен или связан с поверхностью, в отличие от классической модели хемотаксиса, в которой градиент формируется в растворимой жидкости. Наиболее распространенной биологически активной гаптотаксической поверхностью является внеклеточный матрикс (ВКМ); присутствие связанных лигандов отвечает за индукцию трансэндотелиальной миграции и ангиогенез. Некротаксис – это особый тип хемотаксиса, при котором хемоаттрактантные молекулы высвобождаются из некротических или апоптотических клеток. В зависимости от химической природы высвобождаемых веществ, некротаксис может приводить к аккумуляции или отторжению клеток, что подчеркивает патофизиологическую значимость этого явления.

Химотактический отбор

В то время как некоторые рецепторы химиотаксиса экспрессируются в поверхностной мембране с долгосрочными характеристиками, поскольку их экспрессия определяется генетически, другие демонстрируют краткосрочную динамику, так как они собираются *ad hoc* в присутствии лиганда. Разнообразие свойств рецепторов и лигандов химиотаксиса позволяет проводить отбор клеток, реагирующих на химиотаксис, с помощью простого химиотаксического анализа. С помощью химиотаксического отбора можно установить, действует ли еще нехарактеризованная молекула через путь рецептора с долгосрочной или краткосрочной динамикой. Термин "химотаксический отбор" также используется для обозначения метода, который разделяет эукариотические или прокариотические клетки в зависимости от их химиотаксической чувствительности к лигандам-селекторам.

Приспособление к химиотактическому диапазону

Хемотактические реакции, вызываемые взаимодействием лиганда с рецептором, изменяются в зависимости от концентрации лиганда. Исследования семейств лигандов (например, аминокислот или олигопептидов) демонстрируют, что хемоаттрактивная активность проявляется в широком диапазоне концентраций, тогда как хеморепеллентная активность – в узком.

Искусственные химиотактические системы

Были разработаны химические роботы, использующие искусственную химиотаксию для автономной навигации. Области применения включают в себя адресную доставку лекарственных средств в организме. В последнее время молекулы ферментов также продемонстрировали положительное химиотаксическое поведение в градиенте своих субстратов. Термодинамически выгодное связывание ферментов с их специфическими субстратами признается причиной ферментативного химиотаксиса. Кроме того, ферменты, участвующие в каскадных реакциях, также показали субстратно-обусловленную химиотаксическую агрегацию. Помимо активных ферментов, химиотаксическое поведение проявляют и нереагирующие молекулы. Это было продемонстрировано на примере молекул красителя, которые направленно перемещаются в градиентах полимерного раствора благодаря благоприятным гидрофобным взаимодействиям.