Механотрансдукция: Преобразование механических стимулов в электрохимическую активность клеток.

Введение

Преобразование механического стимула клетки в электрохимическую активность

В клеточной биологии механикотрансдукция (механо + трансдукция) – это любой из различных механизмов, посредством которых клетки преобразуют механический стимул в электрохимическую активность. Эта форма сенсорной трансдукции отвечает за ряд чувств и физиологических процессов в организме, включая проприоцепцию, осязание, равновесие и слух. Основной механизм механикотрансдукции заключается в преобразовании механических сигналов в электрические или химические сигналы. В этом процессе механически-зависимый ионный канал позволяет звуку, давлению или движению вызывать изменение возбудимости специализированных сенсорных клеток и сенсорных нейронов. Стимуляция механорецептора вызывает открытие механически-чувствительных ионных каналов, что приводит к возникновению трансдукционного тока, изменяющего мембранный потенциал клетки. Как правило, механический стимул фильтруется в передающей среде до достижения места механикотрансдукции. Клеточные реакции на механикотрансдукцию разнообразны и приводят к различным изменениям и ощущениям. Более широкие вопросы включают молекулярную биомеханику. Исследования одномолекулярной биомеханики белков и ДНК, а также механико-химической связи в молекулярных двигателях продемонстрировали критическую важность молекулярной механики как новой границы в биоинженерии и науках о жизни. Белковые домены, соединенные внутренне неупорядоченными гибкими линкерными доменами, индуцируют аллостерию дальнего действия посредством динамики белковых доменов. Получающиеся динамические моды обычно нельзя предсказать на основе статических структур целого белка или отдельных доменов. Однако их можно вывести, сравнивая различные структуры белка (как в Базе данных молекулярных движений). Их также можно предположить путем отбора проб в обширных траекториях молекулярной динамики и анализа главных компонент, или они могут быть непосредственно наблюдаемы с использованием спектров, измеренных с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха. Современные данные указывают на то, что механикотрансдукционный канал в волосковых клетках представляет собой сложную биологическую машину. Механотрансдукция также включает использование химической энергии для выполнения механической работы.

In cellular biology, mechanotransduction (mechano + transduction) is any of various mechanisms by which cells convert mechanical stimulus into electrochemical activity. This form of sensory transduction is responsible for a number of senses and physiological processes in the body, including proprioception, touch, balance, and hearing. The basic mechanism of mechanotransduction involves converting mechanical signals into electrical or chemical signals. In this process, a mechanically gated ion channel makes it possible for sound, pressure, or movement to cause a change in the excitability of specialized sensory cells and sensory neurons. The stimulation of a mechanoreceptor causes mechanically sensitive ion channels to open and produce a transduction current that changes the membrane potential of the cell. Typically the mechanical stimulus gets filtered in the conveying medium before reaching the site of mechanotransduction. Cellular responses to mechanotransduction are variable and give rise to a variety of changes and sensations. Broader issues involved include molecular biomechanics. Single molecule biomechanics studies of proteins and DNA, and mechanochemical coupling in molecular motors have demonstrated the critical importance of molecular mechanics as a new frontier in bioengineering and life sciences. Protein domains, connected by intrinsically disordered flexible linker domains, induce long range allostery via protein domain dynamics. The resultant dynamic modes cannot be generally predicted from static structures of either the entire protein or individual domains. They can however be inferred by comparing different structures of a protein (as in Database of Molecular Motions). They can also be suggested by sampling in extensive molecular dynamics trajectories and principal component analysis, or they can be directly observed using spectra
measured by neutron spin echo spectroscopy. Current findings indicate that the mechanotransduction channel in hair cells is a complex biological machine. Mechanotransduction also includes the use of chemical energy to do mechanical work.

Ухо

Изменения давления воздуха в слуховом проходе вызывают вибрацию барабанной перепонки и слуховых косточек среднего уха. В конце слуховой цепочки движение основания стремени в овальном окне улитки создает поле давления в жидкостях улитки, вызывая разность давлений через базиллярную мембрану. Синусоидальная волна давления приводит к локализованным вибрациям органа Корти: у основания – для высоких частот, у вершины – для низких частот. Волосковые клетки улитки стимулируются, когда базиллярная мембрана движется вверх и вниз под действием разницы давления жидкости между преддверным и барабанным каналами. Это движение сопровождается сдвиговым движением между покрышкой и сетчатой пластинкой органа Корти, что приводит к отклонению волосковых пучков, соединяющих их, и инициирует механоэлектрическую трансдукцию. Когда базиллярная мембрана поднимается вверх, сдвиг между волосковыми клетками и покрышкой отклоняет волосковые пучки в возбуждающем направлении, к их высоким отросткам. В середине колебания волосковые пучки возвращаются в исходное положение. Когда базиллярная мембрана опускается вниз, волосковые пучки отклоняются в тормозящем направлении.

Скелетная мышца

Когда мышца подвергается деформации, изменения в клеточных и молекулярных конформациях связывают механические силы с биохимическими сигналами, а тесная интеграция механических сигналов с электрическими, метаболическими и гормональными сигналами может маскировать ту часть ответа, которая специфична для механических воздействий.

Хрящ

Одной из основных механических функций суставного хряща является обеспечение низкого трения и восприятие нагрузки. Благодаря своему уникальному расположению на поверхностях суставов, суставный хрящ подвергается воздействию различных статических и динамических сил, включая сдвиг, сжатие и растяжение. Эти механические нагрузки поглощаются внеклеточным матриксом хряща (ECM), где они рассеиваются и передаются хондроцитам (клеткам хряща). Хондроциты воспринимают и преобразуют механические сигналы в биохимические, которые, в свою очередь, направляют и регулируют как анаболические (синтез матрицы), так и катаболические (разрушение матрицы) процессы. Эти процессы включают синтез белков матрицы (коллагена II типа и протеогликанов), протеаз, ингибиторов протеаз, факторов транскрипции, цитокинов и факторов роста. Баланс между анаболическими и катаболическими процессами существенно зависит от типа нагрузки, испытываемой хрящом. Высокие скорости деформации (например, при ударной нагрузке) вызывают повреждение тканей, деградацию, снижение продукции матрицы и апоптоз. Длительное снижение механической нагрузки, например, при длительном постельном режиме, приводит к уменьшению синтеза матрицы. Статические нагрузки оказываются вредными для биосинтеза, в то время как колебательные нагрузки низкой частоты (подобные тем, что возникают при нормальной ходьбе) полезны для поддержания здоровья и увеличения синтеза матрицы. В связи со сложностью условий нагрузки in vivo и взаимодействием других механических и биохимических факторов, вопрос об оптимальном режиме нагрузки или его существовании остается открытым. Хотя исследования показали, что, как и большинство биологических тканей, хрящ способен к механотрансдукции, точные механизмы этого процесса остаются неизвестными. Однако существует несколько гипотез, начинающихся с идентификации механорецепторов. Для восприятия механических сигналов на поверхности хондроцитов должны присутствовать механорецепторы. К потенциальным механорецепторам хондроцитов относятся ионные каналы, активируемые растяжением (SAC), рецептор гиалуроновой кислоты CD44, аннексин V (рецептор коллагена II типа) и интегральные рецепторы (существует несколько типов на хондроцитах). В качестве примера механического пути трансдукции, связанного с интегралином (один из наиболее изученных путей), было показано, что он опосредует адгезию хондроцитов к поверхности хряща, передачу сигналов выживания и регулирует продукцию и деградацию матрицы. Интегриновые рецепторы имеют внеклеточный домен, связывающийся с белками ECM (коллагеном, фибронектином, ламинином, витронектином и остеопонтином), и цитоплазматический домен, взаимодействующий с внутриклеточными сигнальными молекулами. При связывании интегрального рецептора с его лигандом ECM и активации, вокруг активированного участка собираются дополнительные интегралины. Кроме того, к этому кластеру рекрутируются киназы (например, фокальная адгезионная киназа, FAK) и адаптерные белки (например, паксиллин, также известный как Pax, талин, также известный как Tal и Shc), образующие фокальный адгезионный комплекс (FAC). Активация этих молекул FAC, в свою очередь, запускает нисходящие события, регулирующие внутриклеточные процессы, такие как активация факторов транскрипции и регуляция генов, приводящие к апоптозу или дифференцировке. Помимо связывания с лигандами ECM, интегралины также восприимчивы к аутокринным и паракринным сигналам, таким как факторы роста семейства TGF beta. Было показано, что хондроциты секретируют TGF b и повышают регуляцию рецепторов TGF b в ответ на механическую стимуляцию; эта секреция может быть механизмом усиления аутокринного сигнала в ткани. Интегриновая сигнализация – лишь один из множества путей, активируемых при нагрузке хряща. Некоторые внутриклеточные процессы, наблюдаемые в этих путях, включают фосфорилирование ERK1/2, p38 MAPK и SAPK/ERK киназы 1 (SEK 1) пути JNK, а также изменения уровней cAMP, реорганизацию актина и изменения экспрессии генов, регулирующих содержание ECM хряща. Более поздние исследования предположили, что первичные реснички хондроцитов действуют как механорецептор для клетки, преобразуя силы из внеклеточного матрикса в клетку. Каждый хондроцит имеет одну ресничку, которая, как предполагается, передает механические сигналы посредством изгиба в ответ на нагрузку ECM. Интегрины были идентифицированы на верхнем стебле реснички, действуя как якоря к окружающему коллагеновому матриксу. Недавние исследования, опубликованные Wann et al. в FASEB Journal, впервые показали, что первичные реснички необходимы для механотрансдукции хондроцитов. Хондроциты, полученные из мутантных мышей IFT88, не экспрессировали первичные реснички и не проявляли характерную механочувствительную регуляцию синтеза протеогликанов, наблюдаемую в клетках дикого типа.

One of the main mechanical functions of articular cartilage is to act as a low friction, load bearing surface. Due to its unique location at joint surfaces, articular cartilage experiences a range of static and dynamic forces that include shear, compression and tension. These mechanical loads are absorbed by the cartilage extracellular matrix (ECM), where they are subsequently dissipated and transmitted to chondrocytes (cartilage cells). Chondrocytes sense and convert the mechanical signals they receive into biochemical signals, which subsequently direct and mediate both anabolic (matrix building) and catabolic (matrix degrading) processes. These processes include the synthesis of matrix proteins (type II collagen and proteoglycans), proteases, protease inhibitors, transcription factors, cytokines and growth factors. The balance that is struck between anabolic and catabolic processes is strongly influenced by the type of loading that cartilage experiences. High strain rates (such as which occurs during impact loading) cause tissue damage, degradation, decreased matrix production and apoptosis. Decreased mechanical loading over long periods, such as during extended bed rest, causes a loss of matrix production. Static loads have been shown to be detrimental to biosynthesis while oscillatory loads at low frequencies (similar that of a normal walking gait) have been shown to be beneficial in maintaining health and increasing matrix synthesis. Due to the complexity of in vivo loading conditions and the interplay of other mechanical and biochemical factors, the question of what an optimal loading regimen may be or whether one exists remain unanswered. Although studies have shown that, like most biological tissues, cartilage is capable of mechanotransduction, the precise mechanisms by which this is done remain unknown. However, there exist a few hypotheses which begin with the identification of mechanoreceptors. In order for mechanical signals to be sensed, there need to be mechanoreceptors on the surface of chondrocytes. Candidates for chondrocyte mechanoreceptors include stretch activated ion channels (SAC), the hyaluronan receptor CD44, annexin V (a collagen type II receptor), and integrin receptors (of which there exist several types on chondrocytes). Using the integrin linked mechanotransduction pathway as an example (being one of the better studied pathways), it has been shown to mediate chondrocyte adhesion to cartilage surfaces, mediate survival signaling and regulate matrix production and degradation. Integrin receptors have an extracellular domain that binds to the ECM proteins (collagen, fibronectin, laminin, vitronectin and osteopontin), and a cytoplasmic domain that interacts with intracellular signaling molecules. When an integrin receptor binds to its ECM ligand and is activated, additional integrins cluster around the activated site. In addition, kinases (e. g., focal adhesion kinase, FAK) and adapter proteins (e. g., paxillin, aka Pax, talin, aka Tal, and Shc) are recruited to this cluster, which is called the focal adhesion complex (FAC). The activation of these FAC molecules in turn, triggers downstream events that up regulate and /or down regulate intracellular processes such as transcription factor activation and gene regulation resulting in apoptosis or differentiation. In addition to binding to ECM ligands, integrins are also receptive to autocrine and paracrine signals such as growth factors in the TGF beta family. Chondrocytes have been shown to secrete TGF b, and upregulate TGF b receptors in response to mechanical stimulation; this secretion may be a mechanism for autocrine signal amplification within the tissue. Integrin signaling is just one example of multiple pathways that are activated when cartilage is loaded. Some intracellular processes that have been observed to occur within these pathways include phosphorylation of ERK1/2, p38 MAPK, and SAPK/ERK kinase 1 (SEK 1) of the JNK pathway as well as changes in cAMP levels, actin re organization and changes in the expression of genes which regulate cartilage ECM content. More recent studies have hypothesized that chondrocyte primary cilium act as a mechanoreceptor for the cell, transducing forces from the extracellular matrix into the cell. Each chondrocyte has one cilium and it is hypothesized to transmit mechanical signals by way of bending in response to ECM loading. Integrins have been identified on the upper shaft of the cilium, acting as anchors to the collagen matrix around it. Recent studies published by Wann et al. in FASEB Journal have demonstrated for the first time that primary cilia are required for chondrocyte mechanotransduction. Chondrocytes derived from IFT88 mutant mice did not express primary cilia and did not show the characteristic mechanosensitive up regulation of proteoglycan synthesis seen in wild type cells

Важно изучать пути механотрансдукции в хондроцитах, поскольку условия механической нагрузки, представляющие собой чрезмерную или повреждающую реакцию, повышают синтетическую активность и усиливают катаболические сигнальные каскады, включающие медиаторы, такие как NO и MMP. Кроме того, исследования Chowdhury TT и Agarwal S показали, что механическая нагрузка, представляющая собой физиологические условия нагрузки, блокирует продукцию катаболических медиаторов (iNOS, COX 2, NO, PGE2), индуцированных воспалительными цитокинами (IL 1), и восстанавливает анаболические активности. Таким образом, улучшенное понимание взаимодействия биомеханики и клеточной сигнализации поможет разработать терапевтические методы блокирования катаболических компонентов пути механотрансдукции. Более глубокое понимание оптимальных уровней механических сил in vivo необходимо для поддержания здоровья и жизнеспособности хряща, и могут быть разработаны профилактические методы для предотвращения деградации и заболеваний хряща.