Введение
Регулируемое самопроизвольное перемещение клеток из одного места в другое под управлением молекулярных сигналов. Миграция клеток – центральный процесс в развитии и поддержании многоклеточных организмов. Формирование тканей в ходе эмбрионального развития, заживление ран и иммунные ответы требуют координированного движения клеток в определенных направлениях к конкретным местам. Клетки часто мигрируют в ответ на специфические внешние сигналы, включая химические и механические сигналы. Ошибки в этом процессе имеют серьезные последствия, такие как интеллектуальные нарушения, сосудистые заболевания, образование опухолей и метастазирование. Понимание механизмов миграции клеток может привести к разработке новых терапевтических стратегий для контроля, например, инвазивных опухолевых клеток. Вследствие высокой вязкости среды (низкого числа Рейнольдса) клетки должны непрерывно генерировать силы для движения. Клетки достигают активного движения посредством различных механизмов. Многие менее сложные прокариотические организмы (и сперматозоиды) используют жгутики или реснички для передвижения. Миграция эукариотических клеток обычно гораздо сложнее и может состоять из комбинаций различных механизмов миграции. Она обычно включает в себя значительные изменения формы клетки, обусловленные цитоскелетом. Два принципиально различных сценария миграции – ползание (наиболее изученное) и блеббирование. Классическим примером ползания является случай эпидермальных кератоцитов рыб, которые широко используются в исследованиях и обучении.
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.
Молекулярные процессы миграции
Существуют две основные теории о том, как клетка продвигает свой передний край: цитоскелетная модель и модель потока мембраны. Вполне возможно, что оба лежащих в основе процесса способствуют удлинению клетки.
Ведущий край
Эксперименты показали, что на переднем крае клетки происходит быстрая полимеризация актина. Это наблюдение привело к гипотезе о том, что формирование актиновых филаментов "проталкивает" передний край вперед и является основной движущей силой продвижения переднего края клетки. Кроме того, элементы цитоскелета способны интенсивно и тесно взаимодействовать с плазматической мембраной клетки.
Задние края
Другие компоненты цитоскелета (например, микротрубочки) выполняют важные функции в миграции клеток. Было обнаружено, что микротрубочки действуют как "подпорки", противодействуя сократительным силам, необходимым для оттягивания заднего края во время движения клеток. Когда микротрубочки в заднем крае клетки динамичны, они способны к ремоделированию, что позволяет оттягиванию. При подавлении динамики микротрубочки не могут ремоделироваться и, следовательно, оказывают сопротивление сократительным силам. Морфология клеток с подавленной динамикой микротрубочек указывает на то, что клетки могут вытягивать передний край (поляризованный в направлении движения), но испытывают трудности с оттягиванием заднего края. С другой стороны, высокие концентрации лекарственных препаратов или мутации микротрубочек, вызывающие деполимеризацию микротрубочек, могут восстановить миграцию клеток, но при этом наблюдается потеря направленности. Таким образом, можно заключить, что микротрубочки участвуют как в ограничении движения клеток, так и в установлении направленности.
Модель прохождения мембраны (B)
Передний край мигрирующей клетки также является местом, где мембрана из внутренних мембранных резервуаров возвращается на клеточную поверхность в конце эндоцитарного цикла. Это позволяет предположить, что удлинение переднего края происходит главным образом за счет добавления мембраны в передней части клетки. Если это так, то актиновые филаменты, формирующиеся там, могут стабилизировать добавленную мембрану, что приводит к образованию структурированного выроста, или ламеллы, а не пузырькообразной структуры (или блеба) на ее переднем конце. Для движения клетке необходимо доставить свежий запас "ног" (белков, называемых интегранами, которые прикрепляют клетку к поверхности, по которой она перемещается) к переднему краю. Вероятно, эти "ноги" эндоцитируются к заднему концу клетки и доставляются к переднему краю посредством экзоцитоза для повторного использования при формировании новых прикреплений к субстрату. В случае амеб Dictyostelium, три условных температурно-чувствительных мутанта, влияющих на переработку мембран, блокируют миграцию клеток при ограничительной (более высокой) температуре, что дополнительно подтверждает важность эндоцитарного цикла в миграции клеток. Более того, эти амебы перемещаются довольно быстро – примерно на длину клетки за ~5 минут. Если рассматривать их как цилиндрические (что приблизительно верно при хемотаксисе), то для этого им потребуется перерабатывать эквивалент площади поверхности клетки каждые 5 минут, что примерно соответствует измеренным значениям.
Механическая основа миграции амебоидов
Прикрепление – не единственный способ миграции, используемый эукариотическими клетками. Важно отметить, что несколько типов клеток – Dictyostelium amoebae, нейтрофилы, метастатические раковые клетки и макрофаги – способны к миграции, не зависящей от адгезии. Исторически, физик Э. М. Перселл предположил (в 1977 году), что в условиях гидродинамики с низким числом Рейнольдса, характерных для клеточного масштаба, обратный поверхностный поток может обеспечивать механизм для движения микроскопических объектов вперед. Через несколько десятилетий экспериментальное подтверждение этой модели клеточного движения было получено, когда было обнаружено (в 2010 году), что амебоидные клетки и нейтрофилы способны к хемотаксису к источнику хемоаттрактанта, находясь во взвешенном состоянии в среде с изоденсивностью. Впоследствии было показано, с использованием оптогенетики, что клетки, мигрирующие в амебоидной форме без адгезии, демонстрируют поток плазматической мембраны к заднему концу клетки, который может приводить их в движение, оказывая касательные силы на окружающую жидкость. Поляризованный транспорт мембранных везикул от заднего конца клетки к переднему помогает поддерживать размер клетки. Эти наблюдения предоставляют веские доказательства в поддержку моделей клеточного движения, основанных на обратном потоке клеточной поверхностной мембраны (модель B, выше). Интересно, что миграция супраклеточных кластеров также поддерживается аналогичным механизмом обратного поверхностного потока. [[Файл:Коллективный механизм клеточного движения. jpg|миниатюра|1.5|Схематическое представление коллективного биомеханического и молекулярного механизма клеточного движения. Предполагается, что микродомены формируют структуру цитоскелета, а их взаимодействия определяют места для образования новых адгезионных сайтов. Согласно этой модели, динамика сигнализации микродоменов организует цитоскелет и его взаимодействие с субстратом. Поскольку микродомены инициируют и поддерживают активную полимеризацию актиновых филаментов, их распространение и зигзагообразное движение по мембране генерируют высоко взаимосвязанную сеть изогнутых или линейных филаментов, ориентированных под широким спектром углов к границе клетки. Также предполагается, что взаимодействие микродоменов отмечает образование новых фокальных адгезионных сайтов на периферии клетки. Взаимодействие миозина с актиновой сетью затем генерирует втягивание/образование мембранных складок, ретроградный поток и сократительные силы для движения вперед. Наконец, непрерывное воздействие на старые фокальные адгезионные сайты может привести к кальций-индуцированной активации кальпаина и, следовательно, к отсоединению фокальных адгезий, что завершает цикл.
Полярность в мигрирующих клетках
Мигрирующие клетки обладают полярностью — передним и задним концом. Без нее они двигались бы во всех направлениях одновременно, то есть расплывались. Механизм формирования этой полярности на молекулярном уровне внутри клетки остается неизвестным. В клетке, движущейся случайным образом, передний конец может легко уступить место пассивному, поскольку другая область или области клетки формируют новый передний конец. В клетках, осуществляющих хемотаксис, стабильность переднего конца, по-видимому, повышается по мере продвижения клетки к более высокой концентрации стимулирующего химического вещества. С биофизической точки зрения, полярность объясняется градиентом поверхностного заряда внутренней мембраны между передней частью и задним краем клетки. Эта полярность на молекулярном уровне проявляется в ограничении определенных молекул определенными областями внутренней поверхности клетки. Так, фосфолипид PIP3 и активированные Rac и CDC42 обнаруживаются в передней части клетки, в то время как Rho GTPase и PTEN — в задней. Считается, что филаментозный актин и микротрубочки играют важную роль в установлении и поддержании полярности клетки. Препараты, разрушающие актиновые филаменты, оказывают множественное и сложное воздействие, отражающее широкую роль этих филаментов во многих клеточных процессах. Вероятно, в рамках процесса локомоции мембранные везикулы транспортируются вдоль этих филаментов к переднему концу клетки. В клетках, осуществляющих хемотаксис, повышенная устойчивость миграции к цели может быть обусловлена повышенной стабильностью организации филаментозных структур внутри клетки, определяющей ее полярность. В свою очередь, эти филаментозные структуры могут быть организованы внутри клетки в соответствии с расположением молекул, таких как PIP3 и PTEN, на внутренней клеточной мембране. А местоположение этих молекул, по-видимому, определяется хемоаттрактантными сигналами, воздействующими на специфические рецепторы на внешней поверхности клетки. Хотя известно, что микротрубочки влияют на миграцию клеток на протяжении многих лет, механизм этого влияния остается предметом споров. На плоской поверхности микротрубочки не требуются для движения, но необходимы для обеспечения направленности движения клеток и эффективного выроста переднего края. При наличии микротрубочки замедляют движение клеток при подавлении их динамики с помощью лекарственных препаратов или мутаций тубулина. Математические модели, разработанные в этих работах, определяют некоторые физические характеристики и материальные свойства клеток локально посредством анализа последовательностей изображений живых клеток и используют эту информацию для дальнейших выводов о молекулярных структурах, динамике и процессах внутри клеток, таких как актиновая сеть, микродомены, хемотаксис, адгезия и ретроградный поток.