Strategie migracji komórek
advertisement
Strategie migracji komórek Cancer Science Volume 96, Issue 7, pages 379-386, 29 JUL 2005 DOI: 10.1111/j.1349-7006.2005.00062.x http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1349-7006.2005.00062.x/full#f2 1 Wizualizacja sił mechanicznych wywieranych na podłoże przez komórki Podłoża elastyczne 2 2 „Nisza” jako mikrośrodowisko komórek pozostające z nimi w stanie ciągłej wymiany informacji Mediatory wymiany informacji między komórką a „niszą”: - czynniki humoralne (np. czynniki wzrostowe i cytokiny – oddziaływania „krynne” - adhezja komórkowa (ścieżki sygnałowe zależne od integryn, kadheryn etc. - wymiana bodźców mechanicznych (za pośrednictwem białek adhezji międzykomórkowej i receptorów ECM) -bezpośrednia wymiana metabolitów (złącza szczelinowe) Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68: 167-174 3 Kinetyka zmian fizjologicznych w komórkach poddanych bodźcom mechanicznym: Aktywacja receptorów błonowych związanych z cytoszkieletem Zmiany intensywności komunikacji międzykomórkowej Aktywacja kanałów jonowych Zmiany poziomu ekspresji genów regulatorowych Zmiany ekspresji genów strukturalnych Zmiany kształtu komórek Hypertrofia/hyperplazja Zmiany przeżywalności komórek/apoptoza Samarel, 2005 4 4 Percepcja sygnałów mechanicznych 5 5 Z drugiej strony przeciążenia mechaniczne skutkują rozbudową muskulatury 6 6 Budowa ucha-mechanizm słyszenia 7 Percepcja dźwięków Komórki podporowe Słuchowe komórki rzęsate Błona pokrywająca Błona podstawna Końcówki nerwów słuchowych Alberts, 2006, zmienione 8 Funkcja kompleksów kadheryn/kanałów jonowych/ankyryny w wymianie sygnałów mechanicznych między komórkami ucha środkowego 9 www.ks.uiuc.edu/research/hearing/ Pytanie… W jaki sposób zewnętrzne (pochodzące z „niszy”) bodźce mechaniczne mogą wpływać na aktywność ścieżek sygnałowych w komórkach??? 10 10 Symulowane komputerowo i weryfikowane przy pomocy AFM zmiany konformacji ankyryny wywołane stresem mechanicznym 11 Definicja mechanotransdukcji Percepcja sygnałów mechanicznych przez komórki i ich zamiana na sygnały o charakterze biochemicznym, wywołujące zmiany struktury i funkcji komórek oraz ich zespołów Skala „makro”: tkanki; organizmy Skala „mikro”: komórki 12 Etapy mechanotransdukcji: 1. 2. Mechanodetekcja (np. zmiany konformacji białek pod wpływem zmian sztywności błon komórkowych) Mechanokonwersja (zamiana sygnału o charakterze mechanicznym na wewnątrzkomórkowy sygnał biochemiczny) 3. Amplifikacja sygnału 13 13 Prawidłowe funkcjonowanie złożonych organizmów wielokomórkowych zależy od sprawnej komunikacji między jego podstawowymi jednostkami – komórkami. A o tej współdecyduje aktywność kanałów jonowych …mechanowrażliwe kanały jonowe… 14 Mediatory mechanodetekcji-kanały jonowe Struktura i funkcja mechanowrażliwych kanałów jonowych 1. Odpowiedzialne za utrzymywanie równowagi osmotycznej komórek bakteryjnych, detekcję sygnałów mechanicznych pochodzących z otoczenia (słyszenie, czucie), ale również homeostazę wielu tkanek 2. Oligomery błonowych białek integralnych składających się z dwóch lub więcej domen transmembranowych 3. Bramkowane zmianami naprężenia błony komórkowej lub bezpośrednim bodźcem mechanicznym działającym na zewnątrzkomórkową domenę Pollard et al., 2005 15 15 Mechanotransdukcja za pośrednictwem kanałów jonowych u kręgowców Rodziny: TREK, DEG/ENaC, TRP - Błonowe białka integralne - Ich zespoły tworzą kanały jonowe zależne od naprężenia błony komórkowej - Obecne w wielu tkankach, w tym osteoblastach Ca++, Na+ Hughes et al.., 2007 Odpowiadają za wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia kationów np. jonów wapnia wynikający z jego napływu z przestrzeni zewnątrzkomórkowych K+ K+, Ca++, Na+ 16 16 Skąd się biorą zmiany naprężenia błony komórkowej ? 1. U bakterii – wynikają one ze zmian turgoru 2. W komórkach eukariotycznych – również wynikać one mogą ze zmian właściwości mechanochemicznych otaczającej danej komórkę „niszy” 17 Zanik obciążeń mechanicznych skutkuje zanikiem mięśni i demineralizacją kości …skutkujący obniżeniem wytrzymałości mechanicznej szkieletu… …podstawowa bariera ekspansji człowieka w układzie słonecznym… 18 18 Zanik obciążeń mechanicznych skutkuje zanikiem mięśni i demineralizacją kości Ultrastruktura tkanki kostnej Mechanizmy: - spadek mineralizacji kości – aktywność osteocytów - spadek liczby i aktywności osteoblastów - spadek zdolności komórek macierzystych do różnicowania w osteoblasty 19 19 …skutkujący obniżeniem wytrzymałości mechanicznej szkieletu… Mechanotransdukcja za pośrednictwem kompleksów białkowych związanych z cytoszkieletem zawiesina „rzadka" hodowla aktyna winkulina Białka mechanosensoryczne Kontakty zogniskowane jako mechanosensory… 20 20 Modele analizy wpływu bodźców mechanicznych na fizjologię komórek in vitro -Imitacja sił o kierunku równoległym do podłoża Imitacja sił o kierunku prostopadłym do podłoża Elektromagnes Komórka wyładowana ferromagnetykiem Komórka adherentna - techniki elektrofizjologiczne - analizy morfometryczne - proteomika i genomika 21 Aktywacja proliferacji osteoblastów pod wpływem bodźców mechanicznych 22 Toworfe et al., 2010 Integracja sygnałów generowanych przez cytoszkielet oraz mechanowrażliwe kanały jonowe w odpowiedzi na bodziec mechaniczny w osteoblastach Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Bodziec mechaniczny ECM tensin Ca++ PLC Ca++ a-actinin ++ Ca++ Ca Ca++ ++ Ca++ ++ Ca++ Ca Ca ++ Ca talin vinculin Mechanowrażliwe kanały jonowe kalcyneuryna Ca++ Ca++ Ca++ NF-AT Ca++ IP3 MEKK JNK CAM kinaza Ca++ CREB Ca++ Ca++ ERK1/2 ER Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ AP-1 Ca++ ++ CaCa ++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Jądro 23genów Aktywacja ekspresji Układ mięśnioszkieletowy i ucho wewnętrzne jako systemy mechanosensoryczne I. II. …tkanka kostna i uch wewnętrzne reagują na bodźce mechaniczne…. III. …podobnie jak mięsień sercowy reagujący na nadciśnienie tętnicze rozrostem (hipertrofią) 24 Biomechaniczna kontrola morfogenezy „Nisza” Prog. Biophys. Mol. Biol. (2008) 97: 163 25 25 Mechanochemia a różnicowanie Cancer Metastasis Rev. 2009 June; 28(1-2): 167–176. doi: 10.1007/s10555-008-9178-z 26 „Tensegrity” Integryny i kadheryny łącząc domeny cytoszkieletarne sąsiadujących komórek za pośrednictwem adhezji międzykomórkowej … Tensegralność … pośredniczą w tworzeniu wielokomórkowych kontinuów mechanochemicznych Alberts et al., 2005 27 27 Kompleks powierzchniowy fibroblastów www.olympusmicro.com www.micro.magnet.fsu.com 28 stemCellsTissueEngn.com Interakcje w obrębie kompleksu powierzchniowego Gap junctions Hemidesmosomes Focal adhesions/costameres Adherens junctions Sarcomeres www.ScienceDirect.com 29 Mechanokonwersja w kompleksach białkowych zależnych od integryn… …kompleksy białkowe zależne od integryn wpływają lub decydują o podstawowych funkcjach komórek, w tym ich ruchliwości, różnicowaniu i proliferacji za pośrednictwem szlaków sygnałowych modulowanych przez czynniki mechaniczne... 30 30 Banes, 2005 Elementy mechanosensoryczne w kontaktach zogniskowanych Ligand Macierz zewnątrzkomórkowa b a Czynnik wzrostowy RTK Błona komórkowa P FAK SFKs SFKs SHC P p130CAS/ paxillin CRK DOCK 180 PI3K CRK C3G PtdIns(3,4,5)P3 GEF GTP NF-kB Rac GTP Akt/PKB RAP1 PAK B-Raf JNK ERK/MAPK JUN GRB2 SOS GTP Ras Raf MEK Cell proliferation Cell survival Cell differentiation Cell migration ERK/MAPK 31 31 Wpływ bodźców mechanicznych na aktywność wewnątrzkomórkowych szlaków sygnałowych Bodziec mechaniczny ECM Efektory: p130cas Rap1 Aktywacja Crk/C3G - Rap1 - ILK src FAK conformation folding Bodziec mechaniczny Aktywacja szlaków Erk/Jnk p130cas Crk/C3G Rap1 Aktyna Orr et al., 2006 Proliferacja/różnicowanie Aktywacja Crk/C3G 32 32 Kompleksy białkowe determinujące interakcje komórkamacierz zewnątrzkomórkowa aktywują receptory czynników wzrostowych niezależnie od ich interakcji z ligandem Komórki zwierzęce reagują na bodźce mechaniczne (w tym adhezję do macierzy zewnątrzkomórkowej lub podłoża hodowlanego) za pośrednictwem szlaków sygnałowych zależnych od czynników humoralnych 33 Comoglio et al., 2003 Kinetyka zmian fizjologicznych w komórkach poddanych bodźcom mechanicznym: - zmiany sekundowe (0.01s-ca. 10 s) ------------ aktywacja wtórnych przekaźników w tym: - kanałów błonowych (Ca++, Na+, K+, H+) - cząsteczek regulatorowych (IP3, cAMP, cGMP, PGE2, DAG) - kinaz białkowych (RTKs, NRTKs) - białek G - zmiany minutowe (1 min. – ca. 240 min.) ----- aktywacja szlaków sygnałowych i zmiany strukturalne w tym: - aktywacja ścieżki zależnej np. od Raf - ekspresja czynników transkrypcyjnych odpowiedzialnych za regulację cyklu komórkowego (fos, jun, CDKs, cyclins) - reorganizacja architektury cytoszkieletu aktynowego - zmiany kształtu komórek i ich jąder -zmiany behawioralne (hrs--days)---------- modyfikacja fizjologii komórek i ich zespołów: - wzrost migracji - zmiany równowagi mechanicznej macierzy międzykomórkowej - zmiany równowagi mechanicznej pojedynczych komórek i ich zespołów - modyfikacja funkcji komórek, w tym ich proliferacji, przeżywalności, zdolności do modyfikacji macierzy i funkcji kurczliwej 34 34 Oddziaływania autobaryczne i parabaryczne Banes et al,, 1995 35 Integralność strukturalna cytoplazmy podstawowej i jądra Maniotis et al. 1997 Storch and Cordes, 2012 36 Powiązania mechanochemiczne między macierzą zewnątrzkomórkową a matrix jądrową 37 Jaalouk et al., 2011 Wymiana bodźców mechanicznych za pośrednictwem białek adhezji międzykomórkowej i receptorów ECM -podsumowanie Jaalouk et al., 2009 38 Kompleks powierzchniowy Banes et al., 39 1995 Podsumowanie - białka mechanosensoryczne obecne w kontaktach zogniskowanych uczestniczą one w determinowaniu reakcji komórek na zmiany równowagi mechanicznej otaczającej jej macierzy zewnątrzkomórkowej lub sąsiednich komórek - zarówno równowaga mechanochemiczna komórek jak i ich reaktywność na bodźce mechaniczne determinowana jest przez złożone systemy mechansensoryczne, w skład których wchodzą również kanały jonowe - Równowagę mechanochemiczną komórek można analizować za pomocą technik statycznych np. wizualizując architekturę ich cytoszkieletu, jak i dynamicznych, tj. wywierając na komórki stres mechaniczny - Ogólnoustrojowa percepcja bodźców mechanicznych 40 40 Funkcja „Niszy” czyli mikrośrodowiska komórek w transformacji nowotworowej Mediatory wymiany informacji między komórką a „niszą” wspomagające transformację nowotworową: - zaburzenia funkcji endo- i egzogennych czynników humoralnych– oddziaływania „krynne” 1 P1 1 2 S 2 P2 P3 3 Wnts 3 Neo - modyfikacje składu macierzy międzykomórkowej oraz ekspresji receptorów adhezji komórkowej, np. integryn i kadheryn - zmiany równowagi mechanochemicznej w obrębie „niszy”, prowadzące do zaburzeń wymiany bodźców mechanicznych między komórka a jej mikrośrodowiskiem -deregulacja bezpośredniej wymiany metabolitów za pośrednictwem złącz szczelinowych Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68: 167-174 41 „Nisza” jako mikrośrodowisko komórek pozostające z nimi w stanie ciągłej wymiany informacji Mediatory wymiany informacji między komórką a „niszą”: 1 P1 1 2 S 2 P2 P3 3 Wnts - czynniki humoralne (np. czynniki wzrostowe i cytokiny – oddziaływania „krynne” - adhezja komórkowa (ścieżki sygnałowe zależne od integryn, kadheryn etc. - wymiana bodźców mechanicznych (za pośrednictwem białek adhezji międzykomórkowej i receptorów ECM) 3 -bezpośrednia wymiana metabolitów 42 Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68: 167-174 Mediatory bezposredniej międzykomórkowej wymiany metabolitów Plasmodesmy Złącza szczelinowe Nanotuby (Gallagher and Benfey, 2006) (www.molecular.biosciences.wsu.edu) Rośliny Rustom et al., 2004 Zwierzęta 43 Rola mechanotransdukcji w: - Ontogenezie (embriogeneza, organogeneza, homeostaza) - Regeneracji tkanek - Regeneratywnych procesach patologicznych (choroba nowotworowa) 44 44
