Zellpolarität - Cell polarity
Die Zellpolarität bezieht sich auf räumliche Unterschiede in Form, Struktur und Funktion innerhalb einer Zelle . Fast alle Zelltypen weisen eine Polarität auf, die es ihnen ermöglicht, spezielle Funktionen auszuführen. Klassische Beispiele für polarisierte Zellen werden unten beschrieben, einschließlich Epithelzellen mit apikal-basaler Polarität, Neuronen, in denen sich Signale in eine Richtung von Dendriten zu Axonen ausbreiten , und wandernde Zellen . Darüber hinaus ist die Zellpolarität bei vielen Arten asymmetrischer Zellteilung wichtig , um funktionelle Asymmetrien zwischen Tochterzellen aufzubauen.
Viele der molekularen Schlüsselakteure, die an der Zellpolarität beteiligt sind, sind gut konserviert. In Metazoenzellen spielt beispielsweise der PAR-3/PAR-6/aPKC-Komplex eine grundlegende Rolle bei der Zellpolarität. Obwohl die biochemischen Details variieren können, sind einige der Kernprinzipien wie negative und/oder positive Rückkopplung zwischen verschiedenen Molekülen üblich und für viele bekannte Polaritätssysteme wesentlich.
Beispiele für polarisierte Zellen
Epithelzellen
Epithelzellen haften durch Tight Junctions , Desmosomen und Adhärens Junctions aneinander und bilden Zellschichten , die die Oberfläche des Tierkörpers und innere Hohlräume (zB Verdauungstrakt und Kreislaufsystem) auskleiden. Diese Zellen haben eine apikal-basale Polarität, die durch die apikale Membran definiert wird, die der Außenfläche des Körpers oder dem Lumen der inneren Hohlräume zugewandt ist , und der basolateralen Membran , die vom Lumen weg orientiert ist. Die basolaterale Membran bezieht sich sowohl auf die laterale Membran, an der Zell-Zell-Verbindungen benachbarte Zellen verbinden, als auch auf die Basalmembran, an der Zellen an der Basalmembran befestigt sind , einer dünnen Schicht extrazellulärer Matrixproteine , die die Epithelschicht von darunter liegenden Zellen und Bindegewebe trennt . Epithelzellen weisen auch eine planare Zellpolarität auf , bei der spezialisierte Strukturen innerhalb der Ebene des Epithelblatts orientiert sind. Einige Beispiele für planare Zellpolarität sind die in dieselbe Richtung ausgerichteten Schuppen von Fischen und ähnlich die Federn von Vögeln, das Fell von Säugetieren und die kutikulären Vorsprünge (Sinneshaare usw.) an den Körpern und Anhängseln von Fliegen und anderen Insekten .
Neuronen
Ein Neuron empfängt Signale von benachbarten Zellen durch verzweigte, zelluläre Fortsätze, die Dendriten genannt werden . Das Neuron propagiert dann ein elektrisches Signal entlang einer spezialisierten Axonverlängerung vom Basalpol zur Synapse, wo Neurotransmitter freigesetzt werden, um das Signal an ein anderes Neuron oder eine andere Effektorzelle (z. B. Muskel oder Drüse) weiterzuleiten. Die Polarität des Neurons erleichtert somit den gerichteten Informationsfluss, der für die Kommunikation zwischen Neuronen und Effektorzellen benötigt wird.
Wanderzellen
Viele Zelltypen sind zur Migration fähig, wie zum Beispiel Leukozyten und Fibroblasten , und damit sich diese Zellen in eine Richtung bewegen können, müssen sie eine definierte Vorder- und Rückseite haben. An der Vorderseite der Zelle befindet sich die Vorderkante, die oft durch eine flache Kräuselung der Zellmembran, die als Lamellipodie bezeichnet wird, oder dünne Vorsprünge, die als Filopodien bezeichnet werden, definiert wird . Hier ermöglicht die Aktinpolymerisation in Migrationsrichtung den Zellen, die Vorderkante der Zelle zu verlängern und sich an die Oberfläche anzuheften. An der Rückseite der Zelle werden Adhäsionen abgebaut und Bündel von Aktin- Mikrofilamenten , die als Stressfasern bezeichnet werden , ziehen sich zusammen und ziehen die Hinterkante nach vorne, um mit dem Rest der Zelle Schritt zu halten. Ohne diese Polarität von vorne nach hinten wären Zellen nicht in der Lage, die gerichtete Migration zu koordinieren.
Angehende Hefe
Die knospende Hefe, Saccharomyces cerevisiae , ist ein Modellsystem für die eukaryotische Biologie, in dem viele der grundlegenden Elemente der Polaritätsentwicklung aufgeklärt wurden. Hefezellen teilen viele Merkmale der Zellpolarität mit anderen Organismen, weisen jedoch weniger Proteinkomponenten auf. In Hefe ist die Polarität vorgespannt, um sich an einem ererbten Orientierungspunkt zu bilden, einem Fleck des Proteins Rsr1 im Fall von Knospung oder einem Fleck von Rax1 in Paarungsprojektionen. In Abwesenheit von Polaritätsmarkern (dh bei Gendeletionsmutanten) können Zellen eine spontane Symmetriebrechung durchführen , bei der die Lage der Polaritätsstelle zufällig bestimmt wird. Spontane Polarisation erzeugt immer noch nur eine einzige Knospenstelle, was durch positive Rückkopplung erklärt wurde, die die Polaritätsproteinkonzentrationen lokal am größten Polaritätsfleck erhöht, während die Polaritätsproteine global durch ihre Verarmung verringert werden. Der Hauptregulator der Polarität in Hefe ist Cdc42 , ein Mitglied der eukaryotischen Ras-homologen Rho-Familie von GTPasen und ein Mitglied der Superfamilie der kleinen GTPasen, zu denen Rop-GTPasen in Pflanzen und kleine GTPasen in Prokaryoten gehören. Damit sich Polaritätsstellen bilden können, muss Cdc42 vorhanden sein und in der Lage sein, GTP zu zirkulieren, ein Prozess, der durch seinen Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor (GEF), Cdc24 und seine GTPase-aktivierenden Proteine (GAPs) reguliert wird . Die Cdc42-Lokalisierung wird weiter durch Zellzyklus-Warteschlangen und eine Reihe von Bindungspartnern reguliert. Eine aktuelle Studie zur Aufklärung des Zusammenhangs zwischen dem Zellzyklus-Timing und der Cdc42- Akkumulation in der Knospe verwendet Optogenetik , um die Proteinlokalisierung mit Licht zu kontrollieren. Während der Paarung können sich diese Polaritätsstellen verschieben. Mathematische Modellierung in Verbindung mit bildgebenden Experimenten legen nahe, dass die Verlagerung durch Aktin-gesteuerte Vesikelabgabe vermittelt wird.
Wirbeltierentwicklung
Die Körper von Wirbeltieren sind entlang dreier Achsen asymmetrisch: anterior-posterior (von Kopf bis Schwanz), dorsal-ventral (Wirbelsäule bis Bauch) und links-rechts (zum Beispiel befindet sich unser Herz auf der linken Seite unseres Körpers). Diese Polaritäten entstehen innerhalb des sich entwickelnden Embryos durch eine Kombination mehrerer Prozesse: 1) asymmetrische Zellteilung , bei der zwei Tochterzellen unterschiedliche Mengen an Zellmaterial (zB mRNA, Proteine) erhalten, 2) asymmetrische Lokalisierung bestimmter Proteine oder RNAs in Zellen ( die oft durch das Zytoskelett vermittelt wird), 3) Konzentrationsgradienten sezernierter Proteine im Embryo wie Wnt , Nodal und Bone Morphogenic Proteins (BMPs) und 4) differentielle Expression von Membranrezeptoren und Liganden, die eine laterale Hemmung verursachen, wobei die rezeptor-exprimierende Zelle nimmt ein Schicksal an und ihre Nachbarn ein anderes.
Neben der Definition von asymmetrischen Achsen im erwachsenen Organismus reguliert die Zellpolarität auch individuelle und kollektive Zellbewegungen während der Embryonalentwicklung wie apikale Verengung , Invagination und Epibolie . Diese Bewegungen sind entscheidend für die Formgebung des Embryos und die Schaffung der komplexen Strukturen des erwachsenen Körpers.
Molekulare Basis
Die Zellpolarität entsteht in erster Linie durch die Lokalisierung bestimmter Proteine in bestimmten Bereichen der Zellmembran. Diese Lokalisierung erfordert häufig sowohl die Rekrutierung von zytoplasmatischen Proteinen an die Zellmembran als auch den polarisierten Vesikeltransport entlang der Filamente des Zytoskeletts , um Transmembranproteine aus dem Golgi-Apparat zu transportieren . Viele der Moleküle, die für die Regulierung der Zellpolarität verantwortlich sind, sind bei allen Zelltypen und bei allen Metazoen-Spezies konserviert. Beispiele umfassen den PAR-Komplex ( Cdc42 , PAR3/ASIP, PAR6, atypische Proteinkinase C ), den Crumbs-Komplex (Crb, PALS, PATJ, Lin7) und den Scribble-Komplex (Scrib, Dlg, Lgl). Diese Polaritätskomplexe sind auf der zytoplasmatischen Seite der Zellmembran asymmetrisch innerhalb der Zellen lokalisiert. Beispielsweise sind in Epithelzellen die PAR- und Crumbs-Komplexe entlang der apikalen Membran und der Scribble-Komplex entlang der lateralen Membran lokalisiert. Zusammen mit einer Gruppe von Signalmolekülen , den Rho - GTPasen , können diese Polaritätskomplexe den Vesikeltransport regulieren und auch die Lokalisation von zytoplasmatischen Proteinen steuern , hauptsächlich durch die Regulierung der Phosphorylierung von Phospholipiden , den sogenannten Phosphoinositiden . Phosphoinositide dienen als Andockstellen für Proteine an der Zellmembran und ihr Phosphorylierungszustand bestimmt, welche Proteine binden können.
Polarität Einrichtung
Während viele der wichtigsten Polaritätsproteine gut konserviert sind, existieren verschiedene Mechanismen, um die Zellpolarität in verschiedenen Zelltypen zu etablieren. Hier können zwei Hauptklassen unterschieden werden: (1) Zellen, die spontan polarisieren können, und (2) Zellen, die Polarität basierend auf intrinsischen oder umweltbedingten Hinweisen herstellen.
Spontane Symmetriebrechungen können durch die Verstärkung stochastischer Fluktuationen von Molekülen aufgrund nichtlinearer chemischer Kinetik erklärt werden. Die mathematische Grundlage für dieses biologische Phänomen wurde von Alan Turing in seiner 1953 erschienenen Arbeit " Die chemische Grundlage der Morphogenese" geschaffen . Während Turing zunächst versuchte, die Musterbildung in einem multizellulären System zu erklären, können ähnliche Mechanismen auch auf die intrazelluläre Musterbildung angewendet werden. Kurz gesagt, wenn ein Netzwerk von mindestens zwei wechselwirkenden Chemikalien (in diesem Fall Proteine) bestimmte Arten von Reaktionskinetiken sowie eine unterschiedliche Diffusion aufweist, können stochastische Konzentrationsfluktuationen zur Bildung großräumiger stabiler Muster führen, wodurch eine Überbrückung von von einer molekularen Längenskala bis zu einer zellulären oder sogar Gewebeskala.
Ein Paradebeispiel für die zweite Art der Polaritätsbildung, die auf extrazellulären oder intrazellulären Hinweisen beruht, ist die Zygote von C. elegans . Hier leitet die gegenseitige Hemmung zwischen zwei Proteingruppen die Bildung und Aufrechterhaltung der Polarität. Einerseits besetzen PAR-3, PAR-6 und aPKC (anteriore PAR-Proteine genannt) vor der Symmetriebrechung sowohl die Plasmamembran als auch das Zytoplasma. PAR-1, das C. elegans- spezifische Ringfinger-enthaltende Protein PAR-2 und LGL-1 (so genannte posteriore PAR-Proteine) sind hauptsächlich im Zytoplasma vorhanden. Das männliche Zentrosom liefert einen Hinweis, der eine anfänglich homogene Membranverteilung von anterioren PARs durch Induzieren von kortikalen Flüssen aufbricht. Von diesen wird angenommen, dass sie anteriore PARs zu einer Seite der Zelle hin advezieren, wodurch sich posteriore PARs an einen anderen Pol (posterior) binden können. Anteriore und posteriore PAR-Proteine behalten dann ihre Polarität bis zur Zytokinese bei, indem sie sich gegenseitig aus ihren jeweiligen Zellmembranbereichen ausschließen.