Фагоцитоз амеби: Полювання на їжу за хімічним градієнтом

Клітина, що орієнтується без нервової системи

Амеба вирішує справді складну задачу навігації – знайти та дістатися до джерела їжі в рідкій середовищі – використовуючи лише власну клітинну мембрану та цитоскелет, без жодних спеціалізованих органів чуття. Процес складається з двох взаємопов’язаних фаз: хіматоксис – спрямоване рух вздовж концентраційного градієнта дифундуючої хімічної залучки (хіоатрактанта, часто молекули, що витікають з здобичі – бактерій, інших мікроорганізмів, органічного сміття), та фагоцитоз – механічний акт поглинання їжі після контакту. Обидва процеси базуються на одній основній машині: динамічному, перетворювальному актиновим цитоскелеті, що знаходиться під мікропролизом.

Читання градієнта за допомогою зайнятості рецепторів, а не сенсорної органи

Хемоатракційні молекули розповсюджуються від джерела назовні, тому їх концентрація природно дещо вища на стороні амеби, ближчій до джерела, ніж на протилежній — різниця, яка для клітини лише десятків мікрометрів завдяки може становити кілька відсотків. Клітинні поверхневі рецептори зв’язуються з хемоатракційним компонентом, і ця невелика просторова різниця у зв’язуванні підсилюється внутрішньо: сигнальний каскад (у добре вивченій соціальній амебі Dictyostelium discoideum, який включає рецептори, що зв’язуються з G-білками, та подальшу активність PI3-кінази) перетворює невеликий зовнішній градієнт на значно крутіший внутрішню асиметрію, концентруючи обладнання, необхідне для побудови пучечника, зокрема на градієнтному боці клітини, замість того, щоб воно утворювалося випадково навколо.

Вирости: штовхаються вперед за рахунок полімеризації актину

Вирост ("хибний стоп") не тягнеться вперед завдяки моторним білкам, як при скороченні м'язів – він штовхається. Вільні мономєри актину швидко полімеризуються в щільну, розгалужену мережу філаментів безпосередньо на передньому краю мембрани, керовані та розгалужені білковими комплексами, такими як Arp2/3, і фізичною силою цієї ростучої полімерної сітки проти внутрішньої стінки мембрани, що виштовхує її назовні. За межами рухомого фронту міозинові мотори та коруційний актин скорочуються, щоб стискати тіло клітини вперед, тому весь рух пересування є скоординованим циклом штовхання зпереди та потягування ззаду, який повторюється багато разів на секунду і безперервно кебується тим стороною, яка в даний час має найсильніший градієнтний сигнал.

for each patch of membrane around the cell:
  c        = chemoattractant concentration just outside this patch
  bias     = c - averageConcentration(wholeCellSurface)     // local gradient signal
  actinRate(patch) ∝ max(0, bias)                            // only up-gradient patches build actin
  membrane(patch).push(actinRate(patch) * dt)                // polymerization pushes membrane out

on contact with a food particle:
  wrap membrane around particle (pseudopods extend on both sides, meet, fuse)
  pinch off → forms a phagosome (an internal membrane-bound vacuole)
  phagosome fuses with lysosome → digestive enzymes break the food down

Захоплення: обгортання, утримання та перетравлення

Коли передній край контактує з частинкою їжі, той самий механізм стиснення актину розгалужується, створюючи пучки цитоплазматичних виростів (цистоди) навколо частинки з багатьох напрямків, а не лише вперед – це процес "зипперування", де зв’язування рецепторів на поверхні частинки поступово залучає більше полімеризації актину, щільно обвиваючи мембрану навколо неї, поки розширені краї зустрічаються з протилежного боку та зливаються. Це герметично утримує частинку всередині мембранного-область (фагозому), яка потім зливається з лізосомою, що містить ферменти для перетравлення, розкладаючи захоплений матеріал на поживні речовини, які клітина може поглинути та використати.

Одна й та сама стратегія, що використовується в усій імунній системі

Ця точна комбінація — хімічний градієнтний сенсоринг кмеотаксису, що супроводжується актиновим захопленням — є одним із найбільш еволюційно збережених механізмів у біології еукаріот. Вільні амеби, такі як Amoeba proteus, використовують її для полювання на їжу; соціальна амеба Dictyostelium застосовує цю ж хіміотаксичну машину для утворення багатоклеточного слизу, коли їжі закінчується; і в людському тілі нейтрофіли та макрофаги — ключові клітини імунної системи), використовують практично той самий механізм сенсорів градієнтів та актинових імпульсів для переслідування та захоплення інвадуючих бактерій на місці рани чи інфекції. Дослідження поведінки амеб у пробірках безпосередньо вплинуло на моделі, як імунні клітини орієнтуються в тканинах та знищують патогени.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.