Prespecification and plasticity: shifting mechanisms of cell migration
Peter Friedl Current Opinion in Cell Biology Volume 16, Issue 1 , February 2004, Pages 14-23
Cell migration is a universal process involving different morphologies and mechanisms in different cell types and tissue environments. Prespecified cell-type-specific patterns of cell migration can be classified into single cell migration (amoeboid, mesenchymal) and collective migration modes (cell sheets, strands, tubes, clusters). These intrinsic molecular programs are associated with a characteristic structure of the actin cytoskeleton, as well as the cell-type-specific use of integrins, matrix-degrading enzymes (matrix metalloproteinases and serine proteases), cell–cell adhesion molecules (cadherins and activated leukocyte adhesion molecule), and signaling towards the cytoskeleton (carried out by RHO GTPases). In response to the gain or loss of these key molecular determinants, significant adaptation reactions can modify the cell’s shape, pattern, and migration mechanism; examples of this include the epithelial–mesenchymal transition, mesenchymal–amoeboid transition and collective–amoeboid transition.
Рис.. | Connecting myosin II activation to the major signalling pathways in neutrophils and Dictyostelium
Большинство типов клеток тела способно и осуществляет миграцию. Первоначально выявленная для фибробластов и кератиноцитов способность перемещаться в 2D субстратах, явилась принципиальным событием, приведшем к миграции клеток внутри 3D extracellular matrix (ECM) в виде 5 независимых ступеней, которые формируют непрерывный цикл [1,2.]. Инициальная поляризация клетки управляется локальной полимеризацией актина в филаменты, что сопровождается увеличением ведущего pseudopod (ступень 1). Выпятившись псевдопод касается ECM лигандов, кластера адгезивных рецепторов семейства β1 и β3 интегринов, прикрепляется к субстрату и привлекает цитоплазматические адапторные, сигнальные и цитоскелетные белки в направлении места адгезии (ступень 2). Эти ограниченные зоны взаимодействия, называемые фокальными адгезиями или фокальными контактами, рекрутируют поверхностные протеазы, такие как MT1-MMP (membrane-type 1 matrix metalloproteinase) и комплекс urokinase-type plasminogen activator (uPA) и его рецептор (uPAR), чтобы осуществить локальный протеолиз в отношении соседних белков ECM. Околоклеточный протеолиз, как полагают, расширяет внеклеточные поддержки для увеличивающегося вперед тела клетки (ступень 3). Во время или сразу после соединения интегрин-лиганд актиновые филаменты приобретают поперечные связи и контрактильные белки, такие как myosin II, которые стабилизируют и сокращают актиновые нити (ступень 4). Укорочение закрепленных на мембране актиновых филамент вызывает локальное клеточное сокращение, медленное скользящее перемещение заднего полюса клетки и перемещение клетки вдоль субстрата (ступень 5). Эти 5 ступеней не представляют стереотипической программы, а скорее создают адаптивную платформу, которая подвергается клеточно-специфической модификации в зависимости от врожденного молекулярного репертуара и типа условий ECM.
Prespecified migration mechanisms
В процессе клеточной дифференцировки и приобретения специфических тканевых фенотипов, выявляются разные паттерны и механизмы клеточной миграции. Они включают и механизмы, контролирующие миграцию одиночных клеток (Рис. 1a-c) или коллективную миграцию (Рис. 1d-g). Центральные молекулы, которые управляют и специфицируют такие разнообразные процессы миграции, следующие: матрикс-связывающие адгезивные рецепторы, большинство из них принадлежит семейству β1 и β3 интегринов, деградирующие матрикс протеазы или matrix metalloproteinase (MMP) и семейства сериновых протеаз (uPA/uPAR); молекулы, способные к межклеточной адгезии и коммуникациям (т.e. E-, N- и VE-cadherins и щелевые соединения); и сигнальные белки, которые контролируют актиновый цитоскелет, наиболее известны малая GTPase RHO и её нижестоящий эффектор, RHO-associated serine/threonine kinase ROCK.
Figure 1. Prespecified diversity in cell migration strategies. In 3D tissue environments, different cell types exhibit either individual (a–c) or collective (d–g) migration mechanisms to overcome and integrate into tissue scaffolds. (a) Amoeboid migrating cells develop a dynamic leading edge rich in small pseudopodia, a roundish or ellipsoid main cell body and a trailing small uropod. (b) Mesenchymal cells retain an adhesive, tissue-dependent phenotype and develop spindle-shaped elongation in 3D ECM (i.e. the equivalent to cell spreading on 2D substrate). For movement through 3D tissues, they form focal contacts containing focalized actin and adaptor proteins [25.], whereas stress fibers are preferentially present in sessile state and contraction of anchored ECM. In the detachment zone, matrix defects and the deposition of cell surface determinants including cell fragments are seen. (c) Proteolytic migration tracks can be used by neighboring cells to arrange and migrate in a loose chain-like fashion. Such files are seen in neural crest cells upon morphogenesis [63.] as well as in stromal tumors extending into connective tissue in a chain like pattern, such as melanoma (C Mayer, P Friedl, unpublished). (d) In primary cancer lesions, as detected by histopathology, detached clusters of cells are disseminated throughout the adjacent connective tissue. Leading cells provide the migratory traction and, via cell–cell junctions, pull the following group forward. (e) If an invading cancer collective maintains contact with the origin, for example via proliferation of cells in the inner mass, extended non-polarized collective strands or sheets extend into the stroma. (f) Non-neoplastic collective migration is seen in budding epithelial ducts and glands, termed branching morphogenesis. While cells of the leading edge engage in cell–ECM interactions and proteolytic ECM remodeling, the emerging matrix defect is collectively filled by following cells. The collective then generates a basement membrane along the outside tissue interface while an inner lumen is formed. (g) Collective sprouts of endothelial cells form new blood vessels by moving and maintaining cell–cell junctions. Guided by one ‘pathfinder’ cell, the chain matures into a growing strand containing a lumen. While the strand moves forward, pericytes are recruited and engaged by cadherins. Endothelial cells and pericytes then produce a basement membrane. EC, endothelial cell; PC, pericyte. Arrows indicate the direction of migration. For the functions of integrins, proteases and cadherins, please refer to the main text.
Amoeboid migration
Безусловно наиболее примитивной и до некоторой степени наиболее эффективной формой клеточной миграции является амёбоидное движение (Рис. 1a; Box 1), которое воспроизводит свойства поведения одноклеточных амёб Dictyostelium discoideum. Dictyostelium является элипсоидной клеткой, которая обладает быстрой деформируемостью (в течение секунд) и перемещениями посредством быстро меняющихся циклов морфологических расширений и контракций. Хотя интегрины не экспрессируются, а силы связывания с субстратом относительно малы, но мигрирующие клетки Dictyostelium используют один или несколько неинтегриновых паттерн- распознающих рецепторов (Box 1), чтобы соединяться с внеклеточными структурами [3]. У высших эукариот амёбоидное движение осуществляется гематопоэтическими стволовыми клетками, лейкоцитами и определенными опухолевыми клетками [4-6] (P Friedl, unpublished). "b клетки используют быстрые 'ползущего' типа движения, управляемые коротко-живущими и относительно слабыми взаимодействиями с субстратом. У лимфоцитов и нейтрофилов β1-integrin-обусловленная адгезия полностью или частично несущественна для клеточной миграции внутри соединительной ткани и in vitro [7] и in vivo [8,9]. Лейкоциты являются высоко деформируемыми благодаря отсутствию у них стабильных фокальных контактов, они движутся с высокой скоростью (2-30
μm/min) [10]. Изменения формы генерируются кортикальным филаментозным актином, который обеспечивает клеточную динамику, а также обеспечивает неподвижность клеточного тела, но зрелые фокальные контакты и стрессовые волокна отсутствуют [7,11.]. T лимфоциты и др. лейкоциты используют независимые от протеаз физические механизмы для преодоления матричных барьеров, включая адаптацию клеточной формы к уже сформированным структурам матрикса (контактное ведение), увеличение латеральных точек опоры ('elbowing') [12] и проникновение в сжатом состоянии через узкие пространства (контракционные кольца) [11]. Такая управляемая формой миграция позволяет клеткам проскальзывать через или обходить вокруг скорее, чем деградировать барьеры ECM [13]. Элипсоидная форма клетки при амёбоидной миграции нуждается в полимеризации актина вдоль плазматической мембраны, чтобы ужесточить и контрактировать клеточный кортекс. Динамика их кортикального актина критически контролируется с помощью малой GTPase RhoA и её эффектора ROCK, чтобы создать натяжение кортекса, жёсткость и поддержать округлую клеточную морфологию [14,15]. С др. стороны, малые GTPases Rac и Cdc42 привлекают адапторные белки (напр., WASP), которые способствуют фокализованной сборке актина и генерируют динамические клеточные выпячивания, такие как псевдоподии, ламеллоподии и филоподии, тем самым поддерживая поляризацию и элонгацию клетки [16]. В противоположность 5-ступенчатой парадигме миграции фокальные контакты и фокализация протеолиза отсутствуют при амёбоидном движении, тогда как быстрая и не фокализованная сборка рецепторов в местах взаимодействий клетка-матрикс сохраняется.
Box 1. Viewpoint: amoeboid movement in mammalian cells
The sequencing of the Dictyostelium genome will be finished soon (see Dictyostelium Genome Analysis Consortium website at http://genome.imb-jena.de/dictyostelium/). To date, no predicted homologues of integrins or of secreted or surface metalloproteases have been identified. Dictyostelium is therefore a likely model organism for studies on cell migration processes that do not depend on integrin and MMP functions. In a recent genetic screen at least one novel pattern recognition receptor was identified to contribute critically to adhesive interactions with substrate and migration . Termed SadA, this receptor contains several EGF-like repeats and a predicted talin binding site, thereby providing putative links between the cytoskeleton and the extracellular substrate. It is reasonable to assume that, in addition to integrins, pattern recognition receptors are retained in higher mammals to provide interactions with ECM ligands and to contribute to cell adhesion and migration in the absence of integrin function. Amoeboid cells, such as stem cells and most leukocytes, are able to enter and move through many different organs, including skin, gut and brain. They hence retain a powerful capacity for dissemination in connective tissue and recirculation between organs and the blood system as well as the lymphatic system. Other examples of amoeboid movement in the human body are cells from lymphoma, small-cell lung carcinoma and certain mammary carcinoma [2,6]. Because of their striking capacity for efficient dissemination from very small tumor lesions, amoeboid cancers represent systemic diseases metastasizing to distant organs at their earliest stages. Taken together, amoeboid migration in mammals is a feature of nonresident cells that recirculate towards different tissues and migrate therein, yet possess cell–matrix interactions of low stringency and, hence, have limited tissue specificity.
Mesenchymal migration
В противоположность клеткам, которые используют амёбоидное движение, мезенхимные клетки обладают полной 5-ступенчатой последовательностью миграции (Рис. 1b). В 3D тканях, мезенхимные клетки принимают веретенообразную форму, фибробласт-подобную морфологию, характерную для фибробластов, миобластов, одиночных эндомелиальных клеток или клеток саркомы [17,18]. Удлинённая морфология зависит от обусловленной интегринами адгезивной динамики и присутствия высоких сил сцепления (traction) на обоих полюсах клетки [18,19]. Блокирование интегринов в веретено-образных фибробластах, эндотелиальных клетках или опухолевых клетках с помощью антител или низкомолекулярных ингибиторов вызывает ретракцию клеток, они принимают сферическую форму и имеют нарушенную скорость миграции [20,21] (N Daryab and P Friedl, unpublished). Одновременно с фоколизацией интегрина и актина в местах связывания субстрата мезенхимные клетки рекрутируют поверхностные протеазы для переваривания и ремоделирования ECM [22]. β1 b β3 интегрины, MT-MMPs и др. протеазы затем колокализуются в областях контакта с волокнами ECM, протеолитически расщепляя молекулы ECM вблизи клеточной поверхности и генерируя дефекты в структуре матрикса, вдоль пути миграции клетки [22,23]. Образование фокальных контактов и оборот происходят в той же временной шкале 10-120 мин., обусловливая относительно медленную скорость миграции (0.1-2 μm/min) в 3D моделях [10,19,24,25]. Если др. клетки следуют вдоль вновь сгенерированных дефектов матрикса, то наблюдается цепочка из движущихся клеток и их ведение с помощью нитей матрикса (contact guidance) (Рис. 1c). В мигрирующих мезенхимных клетках, таких как фибробласты, Rac и Cdc42 генерируют динамику pseudopod и lamellipod на внешнем краю, способствуя быстрому и динамичному привлечению типа β1 integrin в направлении 2D и 3D субстрата [26]. Помехи активности Rac и Cdc42 нарушают клеточные выпячивания и генерацию поляризованных сил, тяжело нарушая тем самым миграцию [26]. Rho, с др. стороны, стабилизирует инициальные связи интегрины-субстрат, увеличивает размер и силу фокальных контактов и далее толщину актиновых филамент с помощью нескольких механизмов [27,28]. В мезенхимных или адгезивных клетках, взаимодействующих с 2D субстратом, активные Rho ведут к усилению адгезивности, формирования стрессовых волокон и задержке скорости миграции [27,28]; для миграции клеток внутри 3D субстрата функции Rho в отношении формы клеток и динамики адгезивности, по-видимому, более сложны. Всё вместе и координация и синергичность между динамикой поляризованного цитоскелета на ведущем крае, обеспечиваемые Rac и Cdc42, и до некоторой степени противоположным эффектом Rho-опосредованного усиления адгезии и клеточной контрактильностью, как полагают, играет ключевую роль в зависимой от слипчивости миграции клеток и в динамике клеточной морфологии [26-28].
Collective migration modes
При коллективной миграции клетки сохраняют свои межклеточные соединения и движутся в виде соединённых многоклеточных нитей или хорд в ткани; примером м. служить инвазия эпителиальных нитей или трубок, сосудистых врастаний или опухолевых кластеров (Рис. 1d-g). Специализированными формами коллективной миграции является горизонтальная миграция слоёв эпителиальных клеток по 2D субстратам, как это наблюдается в слизистом эпителии кишки после само-обновления или при миграции кератиноцитов по предварительному матриксу раны, также как и медленная миграция клеток края по богатому клетками остову (scaffold) развивающихся яичников у Drosophila [29]. Коллективная миграция наблюдается экспериментально в 2D in vitro ранах [28] и в 3D ECM культурах [30]. Ведущий край движущейся клеточной группы как в 2D, так и 3D моделях миграции, формируется одной или несколькими клетками, которые используют актином-обеспечиваемые морщины (ruffles) и интегрин-зависимые тракции для обеспечения ступеней 1-4 цикла миграции [31,32]. В культурах клеток, коллективы мигрирующих опухолевых клеток преимущественно используют integrin и protease (MT1-MMP, MMP-2) в субнаборе клеток ведущего края [33]. Соединения между инвазирующими коллективами стабилизируются с помощью cadherins, членов сверхсемейства immunoglobulin (напр., NCAM или активированных leukocyte adhesion molecule) [34-36], и межклеточных сообщений с помощью щелевых соединений [37,38]. Задня сторона ведущей клетки(ок) сохраняет свои адгезивные взаимодействия с др. клетками, так что ретракция подтягиваемого края имеет важную модификацию: когда он скользит вдоль структуры ECM, то соседние клетки подтягиваются вслед, вдоль возникшего пути миграции благодаря межклеточной адгезии [30,34,39]. Поскольку ведущие клетки генерируют actin- и integrin-обеспечиваемую тягу, то линейная кортикальная актиновая сеть распространяется вдоль межклеточных соединений в глубокие области коллектива, подтверждая, что кортикальный актин играет роль в поддержании интеграции коллектива [31,32,40]. В дедифференцированных группах опухолевых клеток, скорее аморфные клеточные нити или массы без внутреннего просвета распространяются внутри ткани (Рис. 1d,e). Напротив, не-неопластические развивающиеся железистые протоки (Рис. 1f) и кровеносные сосуды (Рис 1g) содержат поляризованные клетки, которые образуют внутренний просвет и продуцируют заново окружающую базальную мембрану [41,42]. врастающие кровеносные сосуды, в отличие от др. групп клеток, подвергающихся коллективной миграции, используют кадхерины для рекрутирования pericytes в качестве второго типа клеток; эти перициты затем участвуют в синтезе de novo окружающей базальной мембраны [43,44.].
Специальный и более сложный пример коллективной миграции это перемещение 'масс' во время морфогенеза, как это происходит во время конвергентного расширения эмбрионов позвоночных [45] или закрытия дорсальной поверхности у эмбрионов Drosophila [46]. В обоих случаях, происходит перемещение сложных многоклеточных слоёв, которые содержат клетки, сцепленные др. с др. с помощью межклеточных соединений и др. форм межклеточных контактов; клетки движутся вдоль подлежащего или окружающего тканевого субстрата, формируя эпителий или органы [45,46]. Помимо хорошо изученных механизмов 'активной' коллективной миграции, морфогенетические движения дополнительно представлены биофизически плохо понимаемыми 'надклеточными' силами, которые следуют динамике одиночных клеток, чтобы менять форму и положение клеток и всей ткани, напр., при образовании клетками складок и матричных слоёв или для расширения и контракции целых областей тела [46.].
Plasticity in cell migration
Считается, что дифференцированные клетки сохраняют свой способ миграции, однажды ими приобретенный, но недавно полученные данные указывают на то, что избыток или потеря generically пре-специфицированных компонентов в цикле миграции м. вызывать адаптивный сдвиг в паттерне и механизме миграции. Этот феномен был обозначен пластичностью или transition.
Physiological transitions
Процесс, с помощью которого циркулирующие клетки предшественники приобретают дифференцированный фенотип в периферических органах, следует программе генетической пре-спецификации, которая обусловливает изменения позиции, а также изменения в клеточном молекулярном репертуаре.
Macrophage development
Амёбоидные стволовые клетки (гемангиобласты) в костном мозге дифференцируются в моноциты, которые после выхода из костного мозга, перенесения кровью и эмиграции в периферическую ткань становятся resident макрофагами (Рис. 2a). Мигрирующие моноциты экспрессируют низкие уровни β1 или β3 integrins на своей поверхности и используют амёбоидные изменения формы для своей миграции (см. фильмы ). Макрофаги являются стромального типа удлинёнными клетками, которые обнаруживают высокую экспрессию β1 и β3 integrins [47,48], локализованные в фокусах взаимодействий интегрин-лиганд и на актиновом цитоскелете, который перестраивается из диффузного в строго фокализованный (focalized) [49]. Макрофаги принимают веретено-образную форму при ещё мобильном стромальном фенотипе и благодаря реакции на грануломатозную ткань и слияниям с др. макрофагами м. возникать многоядерные гигантские клетки [49]. Хотя полное картирование динамики этих стадий переходов в настоящее время отсутствует, но развитие макрофагов несомненно представляет собой переход от амёбоидных к мезенхимным характеристикам.
Figure 2. Transition of cell migration in physiologic differentiation and neoplastic de-differentiation. Migratory plasticity in non-neoplastic differentiation occurs via the gain of adhesion molecules and proteases and of cell–cell interactions. (a) The development of a tissue macrophage requires the amoeboid stem cells in the bone marrow to differentiate sequentially into an amoeboid myeloic precursor cell and then a monocyte, which emigrates from the bone marrow. After circulation in the blood stream, the monocyte is recruited into the tissue, upregulates β1, β2 and, to some extent, β3 integrins and develops into a slowly moving macrophage of spindle-shaped morphology. (b) For formation of new vessel sprouts, amoeboid angioblasts are recruited from the bone marrow into the tissue to undergo differentiation into single endothelial cells (ECs) of mesenchymal phenotype. ECs interact with neighbor ECs via VE-cadherin and other adhesion receptors forming a multicellular sprout. (c) The reverse processes take place in neoplastic de-differentiation. After the loss of cell–cell junctions, for example through reduced expression or cleavage of cadherins, individual mesenchymal cells detach from the collective and migrate via integrin and protease usage (epithelial–mesenchymal transition, EMT). If integrin or protease functions are weakened in mesenchymal cells, as well as by an increase in ROCK activity, the transition towards amoeboid movement (mesenchymal–amoeboid transition, MAT) occurs. Collective–amoeboid transition (CAT) results from the dissociation of multicellular collectives into amoeboid single cells, as seen after inhibition of β1 integrins in melanoma explants.
Endothelial cell differentiation
Клетки эндотелиальных предшественников (гемангиобласты) испытывают переход от амёбоидного фенотипа через временную мезенхимную стадию к окончательному коллективному паттерну (Рис. 2b). Гемангиобласты покидают костный мозг как амёбоидные клетки, характеризующиеся округлым проявлением на адгезивных субстратах, таких как фибронектин, с низкими уровнями на поверхности β1 и αv integrins, и исключительно с кортикальным актиновым цитоскелетом, лишенным стрессовых волокон [50,51] (J Varner, personal communication). В местах выхода из сосудов взаимодействие циркулирующих ангиобластов с кровеносными сосудами необходимо для функционирования интегрина α4β1 (Varner J, personal communication). Оказавшись в контакте с тканевым ECM, происходит запуск программы дифференцировки в направлении мезенхимного адгезивного фенотипа, что сопровождается увеличением прикреплений и врастанием, приобретением стрессовых волокон и значительным усилением активности β1, αvβ3 и αvβ5 integrins, VCAM и маркёров эндотелиальной дифференцировки [51] (J Varner, personal communication). Т.к. финальная ступень дифференцировки, прирост межклеточных контактов и образование многоклеточных врастаний и трубок даёт в результате коллективный фенотип, сначала примитивный - позднее зрелый - сосудов [52,53]. Кончик врастания формируется клеткой находящей путь, использующей β1 и αvβ3 интегрины и MT1-MMP для ремоделирования коллагена [54]. На всех этих ступенях клеточное движение является существенным для соответствующего позиционирования эндотелиальной клетки и сборки во многоклеточные сосуды.
Др. примером пластичности формы клетки и способа миграции м. служить образование мышечных трубок (мезенхимных) из клеток миогенных предшественников (амёбоидных) и дифференцировка фибробластов (мезенхимных) из выходящих из кровообращения стволовых клеток (амёбоидных) в регенерирующие раны.
Reverse transitions
Модели миграции опухолевых клеток пригодны для выяснения переходных стадий и лежащих в основе механизмов, которые позволяют превращение от дифференцированной и коллективной миграции в направлении более простых одноклеточных движений, обозначаемых здесь как 'обратный переход'.
Epithelial-mesenchymal transition
Во время прогрессивной де-дифференцировки эпителиальных раков происходит переход от многоклеточного роста и инвазии к миграции одиночных мезенхимных клеток, называемый epithelial-mesenchymal transition (EMT) (Рис. 2c) [55]/ Первой ступенью является потеря межклеточных соединений посредством разных механизмов. Сюда входят и снижение экспрессии кадхеринов, мутации потери функции в кадхерине и на путях передачи сигналов catenin и дерегуляция функции протеаз, ведущая к деградации кадхеринов и др. межклеточных адгезивных молекул [56]. Т.к. функции интегрина и протеаз и передача промиграторных сигналов сохраняются, то отсоединившиеся клетки воспринимают мезенхимный тип миграции одиночных клеток [55,57]. при переходе от высоко дифференцированного эпителиального рака в направлении саркоматозного стромального фенотипа, EMT рассматривается как ключевое событие в прогрессировании опухоли [55].
Mesenchymal-amoeboid transition
Если механические или сигнальные пути, которые стабилизируют взаимодействия клетка-ECM, ослабляются, то мезенхимное движение м. превратиться в амёбоидную миграцию (Рис. 2 и Рис. 3). Известные механизмы, ведущие к mesenchymal-amoeboid transition (MAT), являются отменой околоклеточного протеолиза, благодаря использованию ингибиторов протеаз, усилению RHO/ROCK сигнальных путей и ослабления взаимодействий integrin-ECM с помощью антагонистов
(Рис. 2c).
Figure 3. Shifting adhesion and matrix degradation: the Ying and Yang of single cell migration. Migrating mesenchymal HT1080 fibrosarcoma cells and MDB-MB-231 breast cancer cells are spindle-shaped cells that use integrins and proteases for adhesive and proteolytic interactions to ECM substrate, respectively [22]. On the other hand, T lymphocytes maintain migration by integrin-independent mechanisms and further do not generate pericellular proteolysis [10,11]. Between both extremes, cells may also fulfill the criteria for mixed phenotypes. Abrogating integrin and protease function can result in the reversible reprogramming of the migration type and the conversion from mesenchymal to amoeboid, as seen in HT-1080 and MDA-MB-231 cells [22].
Loss of protease function
Мезенхимно мигрирующие опухолевые клетки, такие как клетки HT1080 фибросаркомы и MDA-MB-231 карциномы молочной железы, теряют свою протеолитическую миграцию после добавления протеазных ингибиторов, которые нацелены на MMPs, ADAMs, cathepsins и serine/threonine протеазы [22]. Вместо расширения околоклеточных пространств и расщепления волокон ECM клетки переключаются на амёбоидное поведение, связанное с энергичными изменениями формы и способностью проникать сквозь узкие регионы, т.е. восстанавливается их миграция независимая от околоклеточного протеолиза [22]. В соответствии с амёбоидным фенотипом и распределение β1 integrin и филаментозного актина приобретает диффузный кортикальный паттерн, напоминающий мигрирующие лимфоциты [13]. MAT после ингибирования поверхностных протеаз подтвержден и in vivo для опухолевых клеток, инъецированных в дерму мышей [22]. Сходные фенотипические изменения получаются в фибробластах, заполняющих эксцизионные раны у крыс, обработанных широкого спектра ингибитором MMP, GM6001 (Agren MS, personal communication). Не смотря на ингибирование MMP эти фибробласты сохраняют способность к инфильтрации в богатый фибрином матрикс раны; однако, они не имеют округлой амёбоидной морфологии, это связанно со строго редуцированной способностью ремоделировать рану и генерировать стягивающийся рубец (Agren MS, personal communication). Как ингибиторы протеаз препятствуют регуляции интегрина и динамики цитосклета и почему происходит репрограммирование в направлении амёбоидного движения, неизвестно.
Activation of ROCK
Сходный переход от мезенхимного к амёбоидному движению происходит в HT1080 клетках, которые проникают в толстый 3D слой matrigel после активации Rho-эффекторной киназы ROCK [58]. ROCK действует, увеличивая стабилизацию и контракцию myosin-II-опосредованных актиновых филамент [28,59]. Активная RhoA необходима для полимеризации диффузного кортикального актина и клеточной ретракции в делящихся клетках [60], а избыточная экспрессия постоянно активной ROCK вызывает кортикальные сокращения и округление клеток в исходной линии мезенхимных клеток, таких как 3T3 фибробласты и HT1080 клетки [58,61]. Активная ROCK не только обеспечивает потерю клетками HT1080 их мезенхимных характеристик и их превращение в округлые, контрактируемой формы: управляемые с помощью малых филоподий и blebbing-типа клеточными выпячиваниями, которые содержат кортикальный актин, но превращение их в клети с независимым от протеаз типом миграции, напоминающим амёбоидное движение [58]. Благодаря активации ROCK генерируется кортикальный актин и происходит округление некоторых клеток [15,58,62.], стабилизируются стрессовые волокна и вызывается врастание клеток, уплощение и миграторный арест др. типов клеток [28], кажется, что дополнительные эндогенные или средовые кофакторы предопределяют будут ли клетка-субстрат адгезии стабилизированы или ослаблены с помощью Rho/ROCK-опосредованных сигналов.
Downregulating integrin functions
Редукция сил прикрепления без нарушения клеточной контрактильности способствует округлению клетки и переходу на амёбоидное движение. В 3D коллагеновом субстрате это достигается следующим: селекцией низкой экспрессии эндогенного β1 интегрина с помощью FACS сортировки; титрации β1-integrin-опосредованной адгезии вниз за счёт блокирующих антител; интерференции с доменом β1 integrin с помощью доминантно-негативного peptidomimetic; и устранения экспрессии интегрина с помощью нокаутной стратегии. Все эти процедуры униформно генерируют округлённую, но всё ещё динамическую клеточную форму и случайное распределение на поверхности (остаточное) β1 интегринов и не распределенный по фокусам кортикальный слой филаментозного актина, подтверждающих амёбоидную миграцию в 3D коллагеновом lattices (N Daryab, C Brakebusch and P Friedl, unpublished).
Всё это указывает на то, что клетки м. использовать спектр способов миграции от адгезивного до неадгезивного и протеолитического до независимого от протеаз (Рис. 3) [13].
Collective-amoeboid transition
По аналогии с EMT переход от коллективной инвазии к амёбоидному одноклеточному путешествию получается, когда межклеточные и клетка-ECM взаимодействия ослабляются одновременно (Рис. 2c). В многоклеточных кластерах эмигрирующих из эксплантов меланомы ингибирование β1 инегринов с помощью антител, нарушающих адгезию, устраняет коллективное движение, индуцирует отсоединение индивидуальных амёбоидных клеток от коллектива [31]. При постоянном присутствии антител отсоединившиеся клетки утилизируют изменения амёбоидной формы и констрикционные кольца и приобретают не кластрированное, диффузное распределение по поверхности aβ1 интегринов, сходное с таковым у мигрирующих лимфоцитов [31]. Хотя молекулярный механизм для дисперсии клеток из коллектива в направлении амёбоидных одиночных клеток осуществляется посредством β1-интегринового пути, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить, что коллективная миграция м. прямо или непрямо через мезенхимную ступень миграции, давать рассеивание амёбоидных одиночных клеток.
Conclusions
Taking these findings together, the conversion from multicellular to mesenchymal and/or amoeboid migration may represent stereotypic processes that can be achieved by diverse mechanisms. Although amoeboid movement is detected in cells of low differentiation state, such as stem cells and leukemia and cancer cells, it is also a feature of certain non-neoplastic differentiated cells, such as T lymphocytes, monocytes and neutrophils [11]. In higher mammals (Box 1) amoeboid migration is hence likely to embody a physically optimized migration mode that allows easy cell traffic towards and between structurally different tissue compartments. Although cell differentiation and tissue segregation lead to prespecified migration patterns that are characteristic for each cell type, a basic capacity to revert to ultimately amoeboid migration appears to be retained in some, if not many, mammalian cell types.
Molecular targeting of specific pathways may thus yield more complex adaptation reactions than previously appreciated. Pharmacological interference with adhesive, proteolytic and signaling pathways that maintain a differentiated tissue phenotype but are not essential for cell movement may favor cell reversion to a less differentiated behavior and dissemination mode (Box 2). On the basis of these concepts, the efficiency of drugs designed to interfere with, or redirect, different sorts of migration processes will depend on the target cell’s capacity to compensate its migration ability by cellular and molecular adaptation. Consequently, an understanding of the mechanisms that sustain amoeboid rescue mechanisms in higher eukaryotes as well as in Dictyostelium will be required for a better targeting of migration processes.
Box 2. Viewpoint: essential and optional components in cell migration
)
