Strategie migracji komórek

Transkrypt

1 Strategie migracji komórek Cancer Science Volume 96, Issue 7, pages , 29 JUL 2005 DOI: /j x 1

2 Wizualizacja sił mechanicznych wywieranych na podłoże przez komórki Podłoża elastyczne 2 2

3 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:

4 Kinetyka zmian fizjologicznych w komórkach poddanych bodźcom mechanicznym: Aktywacja receptorów błonowych związanych z cytoszkieletem Zmiany poziomu ekspresji genów regulatorowych Zmiany intensywności komunikacji międzykomórkowej Aktywacja kanałów jonowych Zmiany ekspresji genów strukturalnych Zmiany kształtu komórek Hypertrofia/hyperplazja Zmiany przeżywalności komórek/apoptoza Samarel,

5 Percepcja sygnałów mechanicznych 5 5

6 Z drugiej strony przeciążenia mechaniczne skutkują rozbudową muskulatury 6 6

7 Budowa ucha-mechanizm słyszenia 7

8 Percepcja dźwięków Komórki podporowe Słuchowe komórki rzęsate Błona pokrywająca Błona podstawna Końcówki nerwów słuchowych Alberts, 2006, zmienione 8

9 Funkcja kompleksów kadheryn/kanałów jonowych/ankyryny w wymianie sygnałów mechanicznych między komórkami ucha środkowego 9

10 Pytanie W jaki sposób zewnętrzne (pochodzące z niszy ) bodźce mechaniczne mogą wpływać na aktywność ścieżek sygnałowych w komórkach??? 10 10

11 Symulowane komputerowo i weryfikowane przy pomocy AFM zmiany konformacji ankyryny wywołane stresem mechanicznym 11

12 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 mikro : komórki Skala makro : tkanki; organizmy 12

13 Etapy mechanotransdukcji: 1. Mechanodetekcja (np. zmiany konformacji białek pod wpływem zmian sztywności błon komórkowych) 2. Mechanokonwersja (zamiana sygnału o charakterze mechanicznym na wewnątrzkomórkowy sygnał biochemiczny) 3. Amplifikacja sygnału 13 13

14 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

15 Struktura i funkcja mechanowrażliwych kanałów jonowych Pollard et al., 2005 Mediatory mechanodetekcji-kanały jonowe 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 15 15

16 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 Hughes et al.., 2007 Ca ++, Na + Odpowiadają za wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia kationów np. jonów wapnia wynikający z jego napływu z przestrzeni zewnątrzkomórkowych K + Ca ++, Na + K +, 16 16

17 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

18 Zanik obciążeń mechanicznych skutkuje zanikiem mięśni i demineralizacją kości skutkujący obniżeniem wytrzymałości mechanicznej szkieletu podstawowa bariera ekspansji człowieka w układzie słonecznym 18 18

19 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 skutkujący obniżeniem wytrzymałości mechanicznej szkieletu

20 Mechanotransdukcja za pośrednictwem kompleksów białkowych związanych z cytoszkieletem zawiesina rzadka" hodowla aktyna winkulina Białka mechanosensoryczne Kontakty zogniskowane jako mechanosensory 20 20

21 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

22 Aktywacja proliferacji osteoblastów pod wpływem bodźców mechanicznych Toworfe et al.,

23 Integracja sygnałów generowanych przez cytoszkielet oraz mechanowrażliwe kanały jonowe w odpowiedzi na bodziec mechaniczny w osteoblastach Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Mechanowrażliwe kanały jonowe kalcyneuryna Ca ++ Ca ++ CAM kinaza Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ CREB Ca ++ Ca++ NF-AT Ca ++ Ca ++ Ca ++ IP 3 Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Bodziec mechaniczny ER PLC MEKK ERK1/2 ECM vinculin tensin talin a-actinin JNK AP-1 Jądro Aktywacja ekspresji 23 genów

24 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

25 Biomechaniczna kontrola morfogenezy Nisza Prog. Biophys. Mol. Biol. (2008) 97:

26 Mechanochemia a różnicowanie Cancer Metastasis Rev June; 28(1-2): doi: /s z 26

27 Tensegrity Integryny i kadheryny łącząc domeny cytoszkieletarne sąsiadujących komórek za pośrednictwem adhezji międzykomórkowej Tensegralność Alberts et al., 2005 pośredniczą w tworzeniu wielokomórkowych kontinuów mechanochemicznych 27 27

28 Kompleks powierzchniowy fibroblastów stemcellstissueengn.com 28

29 Interakcje w obrębie kompleksu powierzchniowego Gap junctions Hemidesmosomes Focal adhesions/costameres Adherens junctions Sarcomeres 29

30 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... Banes,

31 Elementy mechanosensoryczne w kontaktach zogniskowanych Błona komórkowa Macierz zewnątrzkomórkowa b a Ligand Czynnik wzrostowy RTK P FAK SFKs SFKs SHC P p130cas/ paxillin CRK DOCK 180 CRK C3G PI3K PtdIns(3,4,5)P3 GEF Akt/PKB GRB2 SOS Ras GTP Rac GTP RAP1 GTP Raf NF-kB PAK B-Raf MEK JNK JUN ERK/MAPK Cell proliferation Cell survival Cell differentiation Cell migration ERK/MAPK 31 31

32 Wpływ bodźców mechanicznych na aktywność wewnątrzkomórkowych szlaków sygnałowych ECM Bodziec mechaniczny Efektory: p130cas Rap1 Aktywacja Crk/C3G - Rap1 - ILK - src - FAK conformation folding Bodziec mechaniczny Aktywacja szlaków Erk/Jnk p130cas Aktyna Orr et al., 2006 Crk/C3G Rap1 Aktywacja Crk/C3G Proliferacja/różnicowanie 32 32

33 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 Comoglio et al.,

34 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 (IP 3, camp, cgmp, PGE 2, 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

35 Oddziaływania autobaryczne i parabaryczne Banes et al,,

36 Integralność strukturalna cytoplazmy podstawowej i jądra Maniotis et al Storch and Cordes,

37 Powiązania mechanochemiczne między macierzą zewnątrzkomórkową a matrix jądrową Jaalouk et al.,

38 Wymiana bodźców mechanicznych za pośrednictwem białek adhezji międzykomórkowej i receptorów ECM -podsumowanie Jaalouk et al.,

39 Kompleks powierzchniowy Banes et al.,

40 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

41 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 Wnts S P1 P2 P 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 41 Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68:

42 Nisza jako mikrośrodowisko komórek pozostające z nimi w stanie ciągłej wymiany informacji P Mediatory wymiany informacji między komórką a niszą : - czynniki humoralne (np. czynniki wzrostowe i cytokiny oddziaływania krynne S P2 2 - adhezja komórkowa (ścieżki sygnałowe zależne od integryn, kadheryn etc. Wnts P wymiana bodźców mechanicznych (za pośrednictwem białek adhezji międzykomórkowej i receptorów ECM) -bezpośrednia wymiana metabolitów Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68:

43 Mediatory bezposredniej międzykomórkowej wymiany metabolitów Plasmodesmy Złącza szczelinowe Nanotuby (Gallagher and Benfey, 2006) Rośliny ( Zwierzęta Rustom et al.,

44 Rola mechanotransdukcji w: - Ontogenezie (embriogeneza, organogeneza, homeostaza) - Regeneracji tkanek - Regeneratywnych procesach patologicznych (choroba nowotworowa) 44 44