Цитоскелет і рухливість клітин: Як клітини рухаються

Три філаментні системи, одна рухома клітина

Цитоскелет складається з трьох філаментних систем – актинових мікрофіламентів, мікротрубочок та проміжних філаментів. Однак, рухливість клітини, що пересувається, майже повністю забезпечується першою системою. На передньому краю утворюється щільна мережа актинових мікрофіламентів, яка полімеризується та штовхає мембрану вперед у вигляді широкого ламеллінного шару або тонких, палець-подібних філопідій; на задньому краї міозинні мотори скорочують мережу та тягнуть за собою задню частину. Зв’язки з підстилаючою матрицею циклічно змінюються між захопленням і відпусканням протягом усього процесу. Ця одна й та сама двигунова система також забезпечує рухвання імунних клітин, що переслідують інфекцію, клітин шкіри, які закривають рану, та – менш корисно – пухлинних клітин, що поширюються в організмі.

Аксіонотредмілінг: полімеризація вперед

Актинові волокна є поляризованими: гострий кінець швидко росте, а тупий – повільно зменшується. АТФ-зв'язані мономєри актину переважно додаються до гострого кінця; після включення АТФ поступово гідролізується до АДП протягом кількох секунд, і підрозділи актину з АДП переважно відшаровуються від тупого кінця. У стабільних умовах це утворює тремтіння волокна: довжина волокна приблизно залишається постійною, незважаючи на те, що окремі підрозділи безперервно проходять через нього з гострого до тупого кінця.

barbed (+) end:   fast ATP-actin addition (growth)
                  ↓ ATP hydrolysis inside the filament, over seconds
pointed (-) end:  ADP-actin dissociation (net loss)

net effect: roughly constant filament length, but a steady monomer flux from + to -

Бродяга-раткат: як м’який полімер штовхає мембрану

Одинокий актиновий волокно занадто тонке та гнучке, щоб штовхнути мембрану вперед, як твердий стрижень. Модель бродяги Остера, Пескінса та Одєлла (1993 року) пояснює механізм проростання інакше: термічні коливання як мембрани, так і кінчика волокна тимчасово створюють достатньо велику щілину – приблизно довжиною одного мономера, близько 2.7 нанометрів – для вставлення нової актинової підмолекули. Після вставлення волокно стає трохи довшою, і мембрана вже не може відкочуватися так далеко, як раніше. Чистий пророст накопичується завдяки величекій кількості таких малих, стохастичних подій вставки, а не завдяки будь-якому одному безперервному штовханню.

Гілки мережі: Arp2/3 та дендритна сітка

На передньому краю ламелліподіму, комплекс Arp2/3 — який активується за допомогою білків WASP і родини WAVE під дією сигналів Rac і Cdc42 — ініціює нові гілки актину, відгалужуючись від існуючих волокон під кутом приблизно 70 градусів, створюючи щільну, деревоподібну дендритну сітку замість згустку ізольованих волокон. Розповсюдження протактичної сили на тисячі кінчиків волокон одночасно дозволяє передньому краю рухатися як широка, узгоджена пластина, а не окремим стиком; тонкі, невзяті гілки, що утворюються за допомогою формів, формують філоподібні чутливі вирости, які досліджують простір попереду основного фронту.

Скорочення та тяга: міозин II та ворітеріальні вузли

На задньому кінці клітини та вздовж внутрішніх стресових волокон, міозинові II моторні білки рухаються по актинових філаментах, використовуючи енергію від гідролізу АТФ, створюючи силове скорочення, яке штовхає задній край вперед і допомагає розсіювати зчеплення, що його утримують. Водночас, на передньому кінці, новоутворені ворітеріальні вузли тимчасово захоплюють субстрат – без цієї тяги мережа актину, яка штовхає, просто деформувалася б на місці замість транслокації всього тіла клітини. Цикл проростання, зчеплення, скорочення, відпускання повторюється постійно, коли клітина пересувається вперед.

Керування рухом: градієнти та сигнальні шляхи

Направлений пересування, або хемотаксис, виникає завдяки просторовим градієнтам хіміоатрактанту, які визначаються поверхневими рецепторами. Сторона клітини, що звернена до більш високої концентрації, активує Rac, Cdc42 та PI3K сигнальні шляхи сильніше, що спотворює, де відбуваються процеси розгалуження та виросту, керовані Arp2/3, і таким чином керує загальним полімеризаційним процесом – а отже, й рухом клітини – вздовж градієнту. Ця взаємодія між хімічним сигналом та механікою цитоскелету дозволяє імунній клітині орієнтуватися до місця інфекції або нейронному ростовому пучкові знайти свою ціль.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

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