Strategie migracji komórek

Transkrypt

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

2 Tensegralny model architektury cytoszkieletu komorek HSF B16 2

3 Biomechaniczna kontrola morfogenezy Nisza 3 5 Prog. Biophys. Mol. Biol. (2008) 97:

4 Ontogeneza i homeostaza organizmów wielokomórkowych jest funkcją interakcji między komórkami a składnikami ich nisz Składniki niszy: - komórki podścieliska - macierz zewnątrzkomórkowa - czynniki humoralne - równowaga mechaniczna komórek 4

5 Percepcja sygnałów mechanicznych 5 5

6 Zanik obciąŝeń mechanicznych skutkuje zanikiem mięśni i demineralizacją kości skutkujący obniŝeniem wytrzymałości mechanicznej szkieletu podstawowa bariera ekspansji człowieka w układzie słonecznym 6 6

7 Z drugiej strony przeciąŝenia mechaniczne skutkują rozbudową muskulatury 7 7

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

9 Budowa ucha-mechanizm słyszenia 9

10 Mechanotransdukcja w percepcji dźwięków Komórki podporowe Słuchowe komórki rzęsate Błona pokrywająca Błona podstawna Końcówki nerwów słuchowych Alberts, 2006, zmienione 10

11 Funkcja kompleksów kadheryn/kanałów jonowych/ankyryny w wymianie sygnałów mechanicznych między komórkami ucha środkowego 11

12 Symulowane komputerowo i weryfikowane przy pomocy AFM zmiany konformacji ankyryny wywołane stresem mechanicznym czyŝby kolejny mechanodetektor..modulujący funkcje kanałów membranowych?? 12

13 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 13

14 Pytanie W jaki sposób zewnętrzne (pochodzące z niszy ) bodźce mechaniczne mogą wpływać na aktywnośćścieŝek sygnałowych w komórkach??? 14 14

15 Etapy mechanotransdukcji: 1. Mechanodetekcja (np. zmiany konformacji białek pod wpływem zmian sztywności błon komórkowych) 2. Mechanokonwersja (zamiana sygnału o charakterze mechanicznym na sygnał wewnątrzkomórkowy sygnał biochemiczny) 3. Amplifikacja sygnału Interakcje między ścieŝkami sygnałowymi zaleŝnymi od integryn i GFs Błona komórkowa Macierz zewnątrzkomórkowa β α 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

16 Prawidłowe funkcjonowanie złoŝonych organizmów wielokomórkowych zaleŝy od sprawnej komunikacji między jego podstawowymi jednostkami komórkami. A o tej współdecyduje aktywność kanałów jonowych i kanałów, które jonowymi do końca nie są mechanowraŝliwe kanały jonowe 16

17 Mediatory mechanodetekcji-kanały jonowe Struktura i funkcja mechanowraŝliwych kanałów jonowych 1. Odpowiedzialne za utrzymywanie równowagi osmotycznej komórek bakteryjnych, detekcję sygnałów mechanicznych pochodzących z otoczenia (słyszenie, czucie), ale równieŝ homeostazę wielu tkanek 2. Oligomery błonowych białek integralnych składających się z dwóch lub więcej domen transmembranowych Pollard et al., Bramkowane zmianami napręŝenia błony komórkowej lub bezpośrednim bodźcem mechanicznym działającym na zewnątrzkomórkową domenę 17 17

18 Mechanotransdukcja za pośrednictwem kanałów jonowych u kręgowców Rodziny: TREK, DEG/ENaC, TRP - Błonowe białka integralne - Ich zespoły tworzą kanały jonowe zaleŝne od napręŝenia błony komórkowej - Obecne w wielu tkankach, w tym osteoblastach Hughes et al.., 2007 Ca ++, Na + Odpowiadają za wzrost wewnątrzkomórkowego stęŝenia kationów np. jonów wapnia wynikający z jego napływu z przestrzeni zewnątrzkomórkowych K + K +, Ca ++, Na

19 Skąd się biorą zmiany napręŝenia błony komórkowej? 1. U bakterii wynikają one ze zmian turgoru 2. W komórkach eukariotycznych równieŝ wynikać one mogą ze zmian właściwości mechanochemicznych otaczającej danej komórkę niszy 19

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

21 Tensegrity Integryny i kadheryny łącząc domeny cytoszkieletarne sąsiadujących komórek za pośrednictwem adhezji międzykomórkowej Tensegralność Alberts et al., 2005 pośredniczą w tworzeniu wielokomórkowych kontinuów mechanochemicznych 21 21

22 Modele analizy wpływu bodźców mechanicznych na fizjologię komórek in vitro -Imitacja sił o kierunku równoległym do podłoŝa Imitacja sił o kierunku prostopadłym do podłoŝa Elektromagnes Komórka wyładowana ferromagnetykiem Komórka adherentna - techniki elektrofizjologiczne - analizy morfometryczne - proteomika i genomika 22 22

23 Zanik obciąŝeń mechanicznych skutkuje zanikiem mięśni i demineralizacją kości Ultrastruktura tkanki kostnej 3. Glikokaliks Przepływ płynu Mechanizmy: Błona komórkowa - spadek mineralizacji kości aktywność osteocytów - spadek liczby i aktywności osteoblastów - spadek zdolności komórek macierzystych do róŝnicowania w osteoblasty skutkujący obniŝeniem wytrzymałości mechanicznej szkieletu 17

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

25 Integracja sygnałów generowanych przez cytoszkielet oraz mechanowraŝliwe kanały jonowe w odpowiedzi na bodziec mechaniczny w osteoblastach Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Bodziec mechaniczny ECM MechanowraŜliw e kanały jonowe kalcyneuryna Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ NF-AT PLC vinculin tensin talin α-actinin CAM kinaza CREB IP 3 MEKK JNK Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ Ca ++ ER ERK1/2 AP-1 Jądro Aktywacja ekspresji 25genów

26 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) 26

27 Kompleks powierzchniowy fibroblastów stemcellstissueengn.com 27

28 Interakcje w obrębie kompleksu powierzchniowego Gap junctions Hemidesmosomes Focal adhesions/costameres Adherens junctions Sarcomeres 28

29 Mechanokonwersja w kompleksach białkowych zaleŝnych od integryn kompleksy białkowe zaleŝne od integryn wpływają lub decydują o podstawowych funkcjach komórek, w tym ich ruchliwości, róŝnicowaniu i proliferacji za pośrednictwem szlaków sygnałowych modulowanych przez czynniki mechaniczne... Banes,

30 Elementy mechanosensoryczne w kontaktach zogniskowanych Błona komórkowa Macierz zewnątrzkomórkowa β α 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 30 30

31 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/róŜnicowanie 31 31

32 Tensegralny model architektury cytoszkieletu komorek HSF B16 32

33 (2) Kompleksy białkowe determinujące interakcje komórkamacierz zewnątrzkomórkowa aktywują receptory czynników wzrostowych niezaleŝnie od ich interakcji z ligandem Komórki zwierzęce reagują na bodźce mechaniczne (w tym adhezję do macierzy zewnątrzkomórkowej lub podłoŝa hodowlanego) za pośrednictwem szlaków sygnałowych zaleŝnych od czynników humoralnych Comoglio et al.,

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

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

36 Oddziaływania autobaryczne i parabaryczne Banes et al,,

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

38 Kompleks powierzchniowy Banes et al.,

39 - 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 ścieŝki zaleŝnej 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, przeŝywalności, zdolności do modyfikacji macierzy i funkcji kurczliwej 39 39

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 złoŝone systemy mechansensoryczne, w skład których wchodzą równieŝ kanały jonowe - Równowagę mechanochemiczną komórek moŝna 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 Rola mechanotransdukcji w: - Ontogenezie (embriogeneza, organogeneza, homeostaza) - Regeneracji tkanek - Regeneratywnych procesach patologicznych (choroba nowotworowa) 42 42

43 Mechanochemia a róŝnicowanie Cancer Metastasis Rev June; 28(1-2):

44 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 (ścieŝki sygnałowe zaleŝne 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:

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