In spite of conspicuous differences in their polarized architecture, swimming unicellular eukaryotes and migrating cells from metazoa display a conserved hierarchical interlocking of the main cellular compartments, in which the microtubule network has a dominant role. A microtubule array can organize the distribution of endomembranes owing to a cell-wide and polarized extension around a unique nucleus-associated structure. The nucleus-associated structure in animal cells contains a highly conserved organelle, the centriole or basal body. This organelle has a defined polarity that can be transmitted to the cell. Its conservative mode of duplication seems to be a core mechanism for the transmission of polarities through cell division.
Рис.1. | Intrinsic polarizing properties of the actin and tubulin cytoskeleton.
Рис.5. | Adhesive control of organelle positioning and cell polarity.
Box 1 | The cortical heredity of unicellular organisms
Box 2 | Adhesive control of asymmetries through cell division
DATABASES
|
|
|
|
Клеточная полярность может быть определена как структурно и функционально асимметричная организация, при которой неслучайное расположение каждой органеллы, функция которой вносит вклад в клеточную асимметрию, сохраняется и передается при клеточных делениях. Дефекты клеточной полярности м. служить признаком клеточной трансформации1, 2.
Прокариоты, которые как полагают не обладают определенной внутренней организацией, но обладают, как было установлено, высоким уровнем внутриклеточной организации3. Основными игроками в достижении этого являются белки, из стационарных комплексов, которые локализуются в определенных субклеточных регионах, и белки, которые формируют высоко динамичную полимерную сеть; эта сеть взаимодействует с др. компонентами, которые меняют местоположение непосредственным способом. Интересно, что бактериальная динамическая сеть состоит из актин-подобных и тубулин-подобных филамент, из которых происходит цитоскелет эукариот4.
Сходные принципы используются при внутриклеточной организации крупных эукариотических клеток. Для многоклеточных, однако у которых клеточная форма может сильно меняться во время клеточной дифференцировки или во время клеточной миграции, функциональные взаимоотношения между органеллами д.быть совместимыми с обширными смещениями индивидуальных органелл. Помимо ядра и плазматической мембраны основными органеллами, которые вносят вклад в клеточную полярность являются цитоскелет и . Актиновая и тубулиновая динамические сети участвуют в стационарных комплексах , таких как межклеточные соединения и . Эти комплексы являются критическими nucleating и/или закрепляющими структурами для полимеров и их местоположение является важным признаком полярности. Бросающаяся в глаза внутриклеточная мембранная система, которая типична для клеток эукариот является устойчивой за счет существенной динамики замены мембран.
Рассмотрим как полярность органелл может быть эффективно распространена на клеточную полярность, особенно, как микротрубочки и прирожденно асимметричные или органеллы так хорошо приспособлены, чтобы организовывать и передавать клеточную полярность. Будут рассмотрены также данные о взаимной организации этих органелл в клетках и как это может приводить к ориентированной клеточной архитектуре и активности.
Intrinsic asymmetry of cell compartments
The plasma membrane. Клеточная оболочка является липидным бислоем, состоящим из более чем одного типа липидов, которые могут быть подвержены феномену сегрегации для достижения пространственной асимметрии5, 6. Этот феномен может испытывать влияние со стороны изгиба мембраны. Такой феномен 'фазового разделения' может рассматриваться как базовое врожденное свойство клеточных мембран, которое позволяет им поляризоваться. Когда пузырьки взаимодействуют с поверхностью напр., электростатические взаимодействия), то они могут перемещаться направлено на большие расстояния7. Если добавляются мембранные белки, то динамика системы становится довольно сложной, чтобы воспроизводить события, такие как инвагинации мембраны (которые напоминают эндоцитоз8). Связанные с мембранами белки могут также создавать барьеры для диффузии, которые определяют сегрегации клеточной оболочки9.
The actin cytoskeleton. Сборка актина является процессом, вызывающим рассеяние, при котором actin гидролизует АТФ после голова-хвост полимеризации. Сборка актина приводи к возникновению структурно ориентированных, которые растут поляризованным способом. Всестороннее описание врожденной способности крупных актиновых филамент собираться в поляризованные ансамбли, получено в основном в исследованиях подвижности бактерий Listeria monocytogenes. Этот внутриклеточный патоген использует актин клеток хозяев, чтобы формировать кометы из микрофиламент, это указывает на то, что полимеризация актина может быть механизмом генерации сил10. Как достигается продвижение вперед не было ясным до тех пор, пока не удалось целиком реконструировать движение бактерий in vitro с помощью минимального набора белков и латексных кусочков11, 12. In vitro, нуклеация сетчатых актиновых филамент на сферической поверхности, которая имела случайное распределение нуклеирующих комплексов и была разделена non-reticulated филаментами, дает гель, который характеризуется спонтанным нарушением симметрии. Это ведет к асимметричному распределению растущего актинового геля и направленному перемещению бактерий или кусочков12-14. Перемещение кусочков, как было показано, теоретически и экспериментально, поддерживается за счет асимметричного давления, которое воздействует на них растущим сетчатым гелем13. Эта модель была важной для понимания актин-зависимой кортикальной полярности клеток (see below and Fig. 1a).
The tubulin cytoskeleton. Сборка тубулина является диссипативным процессом, в котором тубулин гидролизует ГТФ после голова-хвост полимеризации. Это приводит к структурно ориентированным микротрубочкам, которые растут поляризованно. Микротрубочки являются длинными (относительно размеров клеток), ригидными и динамичными трубочками, которые само-организуются в крупномасштабные структуры в присутствии моторных и связывающих микротрубочки белков15-17. Микротрубочки обычно присутствуют в небольших количествах, от менее 10 до нескольких сотен на клетку. Собирается два основных типа микротрубочек, которые обнаруживаются в клетках, это звездочки и параллельные или антипараллельные пучки микротрубочек (Fig. 1b). Это задает полярность всей клетке благодаря врожденной полярности микротрубочек и способности моторных белков и различных ассоциированных с микротрубочками белков различать два конца, позволяя тем самым ансамблям микротрубочек сортировать белки и органеллы внутри клетки (Fig. 1b).
Звездочки из микротрубочек обладают само-центрирующимися свойствами в клеточных фрагментах и искусственных минимальных системах18, 19. Звездочки поляризованы с минус концами обычно в центре, как это происходит в случае, когда звездочки нуклеируются центросомами в клетках животных. Такая организация определяет клеточный кортекс и центр для белков и органелл внутри клетки. Звездочки могут становиться асимметричными в анизотропной среде, напр., благодаря градиенту молекул, которые влияют на динамику нестабильности микротрубочек20, 21, или потому, что они взаимодействуют своими дистальными концами с др. клеточными органеллами, такми как хромосомы или поляризованный клеточный кортекс22-24.
The centriole or basal body organelle. Структура центриолей представлена в виде пары центров из центросом в клетках животных. Они структурно идентичны базальным тельцам в основании (9 + 2) аксонем жгутика, который присутствует у большинства эукариот. Базальные тельца и органеллы аксонем являются родоначальными: они обнаруживаются с появлением ранних эукариотических клеток25. Филогения белков, ассоциированных с родоначальными центросомами подтверждает мнение, что центросомы эволюционируют за счет непосредственного ответвления от родоначальных и высоко консервативных базальных телец/аксонем26. В самом деле, превращение материнских центросомных центриолей в базальные тельца, от которых растут жгутик или ресничка, происходит у животных во время гаметогенеза самцов и оплодотворения яиц или после выхода из митозов дифференцирующихся соматических клеток27. Центриоля или базальное тельце является очень асимметричной органеллой, которая обладает прокисимо-дистальной полярностью анизотропией по окружности. Эти свойства могут специфицировать всю кортикальную организацию и позиционирование органелл28 (Box 1; Fig. 2).
The endomembranes. Внутриклеточная система тубуло-везикулярных мембран эукариотических клеток, посредством которой путешествуют секреторные и плазматические белки, состоит из внутренне присущих ориентированных наборов связанных с мембраной органелл с определенными компонентами и функциями. Вновь синтезированные белки вступают в эту систему посредством околоядерного endoplasmic reticulum (ER), из которого они выходят и путешествуют вдоль векторов посредством цис-, медиальных и транс-Гольджи цистерн в комплекс транс-Гольджи органеллы. они затем распределяются по end-stage органеллам или плазматической мембране с помощью пузырьков. Ретроградный эндоцитический путь от плазматической мембраны к центру клетки в основном перекрывается с секреторным путем и оба вносят вклад в транспорт и сортировку липидов и белков к их местам действия.
Взаимоотношение между мембранным трафиком и поддержанием структуры органелл впервые было продемонстрировано с помощью эффекта грибкового лекарства brefeldin A29 - быстрое и обратимое исчезновение аппарата Гольджи в ER было прямой демонстрацией диссипативной структуры этих мембранных органелл. Понимание топологических взаимоотношений между мембранными компартментами нуждается в расшифровке механизмов сортировки, транспорта и рециклинга липидов и белков, которые поддерживают функцию и качественные особенности каждой из органелл30-32. Стеллажи уплощенных цистерн Гольджи являются асимметричными с цис стороной, связанной биохимически с ER и транс стороной связанной биохимически с плазматической мембраной. Как достигается такая асимметрия изучали активно и сегодня считается, что такая асимметрия отражает прогрессию цистерн. Однако альтернативная новая модель объясняет поляризованные градиенты липидов и белков в структуре Гольджи и базируется на распределении белков между двумя липидными фазами и на быстром обмене между цистернами33.
Connecting compartmental polarities
Асимметричная архитектура клеток у выделившихся эукариот может быть результатом исключительных взаимодействий актиновых микрофиламент или микротрубочек с плазматической мембраной. Это соответствует двум стратегиям подвижности, которые используются цитоскелетом эукариот -ресничка- или жгутик-зависимое плавание и зависимая от актина миграция. Во всех случаях, однако идентифицированы законсервированные лежащие в основе организационные принципы.
Мы впервые исследовали, как концепция кортикальной полярности приложима к одноклеточным моделям и metazoa. Затем считая от кортекса клетки к центру, мы идентифицировали три законсервированных признака клеточной полярности: ассоциацию сети микротрубочек с плазматической мембраной, ассоциацию сети микротрубочек с ядром посредством центросомы или базального тельца и центральное расположение аппарата Гольджи, которое также зависит от соединения между ядром и центросомой или базальным тельцем.
The cell cortex. Клеточный кортекс включает плазматическую мембрану и подлежащие ассоциированные белки, особенно цитоскелетные и регуляторные белки, которые ассоциируют с мембранными липидами и белками различными способами.
У низших эукариот форма поляризованных клеток постоянна за счет решетки из плотно упакованных микротрубочек, которые тесно ассоциированы вдоль своей длины с плазматической мембраной с помощью периодических линкеров (Fig. 3a). Базальное тельце или flagellum предопределяет полярность всей клетки посредством ориентированной субмембранной пленки из микротрубочек, все они закреплены своими минус концами в базальном тельце. Ассоциация актина с плазматической мембраной и эндоцитическая и фагоцитическая активности ограничены flagellar карманом34, 35, небольшой областью в основании жгутика. которая может служить как аппарат питания36 и это, по-видимому, отражает родоначальную организацию37. Следовательно, клетка имеет стереотипически поляризованную форму, которая базируется целиком на кортикальной полярности, базирующейся на микротрубочках.
Актин-зависимая клеточная миграция сочетается с интернализацией сети микротрубочек и появлением центросомной органеллы26. Микротрубочки формируют звездочку от центросомы и взаимодействуют с актиновым кортексом посредством своих дистальных кончиков. Внутренняя полярность и кортикальная полярность могут быть определены как изменение формы клеточного кортекса (Fig. 3b). В клетках животных сборка актина на клеточной поверхности ассоциирует с выпячиванием мембраны и мембранной адгезией. Крупномасштабная организация актинового кортекса в клетке обнаруживает существенную пластичность и управляется с помощью различных параметров38, включая два, которые находятся под контролем малых GTPases: нуклеация актиновых филамент (которая регулируется с помощью ) управляемая миозином контрактильность актинового кортекса (которая регулируется с помощью Rho; see the review by Iden and Collard in this issue).
Поляризация актинового цитоскелета с помощью сигнальных петель обратной связи продемонстрирована у дрожжей39-41. Позитивная петля обратной связи может давать стабильную поляризацию благодаря транспорту актиновых nucleators с помощью самих филамент, купированному с их латеральной диффузией в мембраны и эндоцитозом. Сходные механизмы возникают для клеточной поляризации, которая обусловливается внутренними сигналами во время цикла клеточного деления или в ответ на внешние сигналы, такие как феромоны спаривания. Эффект на клеточную полярность локального контроля или спонтанных флюктуаций контрактильности также хорошо документирован42-44: он может давать феномен, который сходен с таковым, индуцируемым с помощью нарушения симметрии во время движения Listeria monocytogenes. Кроме того, оо может также индуцировать феномен, посредством которого мембрана может локально отсоединиться от актинового кортекса45, 46. Уже давно считается, что нарушение симметрии с помощью актинового кортекса нуждается в сети микротрубочек. Однако клетки, лишенные микрротрубосек или фрагменты клеток также могут быть поляризованы47-50.
The centrosome and microtubule-cortex connection. У низших эукариот отсутствуют биохимические данные, как микротрубочки взаимодействуют латерально с плазматической мембраной и как эти взаимодействия регулируются. С помощью контраста взаимодействия микротрубочек в жгутиковом компартменте, который отделяется от тела клетки специфическим барьером51, удалось исследовать благодаря молекулярным механизмам, которые, по-видимому, законсервированы у всех эукариот, и связаны с широким кругом заболеваний у людей (for reviews, see Refs 52, 53).
У metazoa, взаимодействие базирующейся на центросоме звездочки из микротрубочек с актиновым кортексом мигрирующих или делящихся клеток является предметом активных поисков (see below and the review by Li and Gundersen in this issue). Здесь мы рассмотрим только информацию о контроле позиционирования центросом относительно клеточного кортекса.
Центросома, как говорит её имя, имеет почти центральное положение в большинстве клеток животных, которое сохраняется в точности в энуклеированных клетках54. Как и в клеточных экстрактах структура микротрубочек, включая митотическое веретено, может само-организовываться в клетке, лишенной центросом55, 56. Позиционирование центросом обусловлено нуклеацией и закреплением микротрубочек на центросоме. Нуклеация микротрубочек является консервативным зависимым от gamma-tubulin процессом у всех видов, но способ, с помощью которого микротрубочки закрепляются и организовываются в клетках, варьирует существенно. В лимфоидных клетках, напр., микротрубочки, которые нуклеированы вблизи пары центриолей, закреплены на кончиках из наборов длинных придатков, которые организуются вокруг оси родительской центриоли. Напротив, в цилиндрических эпителиальных клетках микротрубочки, которые нуклеированы в центросомах высвобождаются, чтобы сформировать пучки, которые организуются параллельно апикально-базальной оси, со всеми плюс концами, ориентированными в направлении базальной стороны и минус концами в направлении апикальной стороны клетки57 (Fig. 3). Баланс между залавливанием минус-конца микротрубочки и высвобождением из центросомы, по-видимому, является критерием клеточной дифференцировки. Он также является критическим для эффективной миограции поляризованных клеток58.
Центросомы могут функционировать в процессах поляризации путем перемещения себя в клеточный кортекс (Fig. 1b, right panel). У ранних эмбрионов Caenorhabditis elegans42, столкновение центросомы спермия с кортексом запускает крупномасштабную реорганизацию, которая предопределяет передне-заднюю ось эмбриона. Для этой функции не всегда необходимы микротрубочки - напр., удвоение центросомы управляет реорганизацией актиновых шапочек на поверхности яйца независимым от микротрубочек способом в позднем синцитии эмбрионов Drosophila melanogaster, у которых ядра и центросомы мигрируют к кортексу яйца59. Единственное возможное объяснение этого эффекта в том, что центросомы локально концентрируют специфические регуляторы. Такая возможность подтверждена для начала митозов.
В соматических клетках центросома может подходить близко к плазматической мембране и индуцировать изменение положения др. органелл, таких как аппарат Гольджи, это в конечном итоге ведет к локальным и временным кортикальным модификациям (Fig. 3b). Напр., у цитотоксических Т лимфоцитов доставка гранул секреции в иммунологические синапсы контролируется центросомами, которые мигрируют, чтобы оказаться временно локализованными на плазматической мембране60. Более длительное репозиционирование центросом на плазматической мембране имеет место в постмитотических клетках млекопитающих, когда они вступают в состояние покоя. Эти клетки воспроизводят родоначальную ассоциацию центриоли и базального тельца с плазматической мембраной, рост первичной реснички61 от материнской центриоли из центросомы (Fig. 3c) и удерживают богатый актином кортекс над большей частью клеточной поверхности. Для этого используется непосредственное взаимодействие материнской центриоли с плазматической мембраной посредством её дистальных придатков. Этот процесс плохо изучен, но имеет важное значение для внутренней организации и для контроля клеточной полярности. Процесс создает новый клеточный компартмент, первичную ресничку, который отделен от стенки тела специфическим пропускным механизмом, который контролирует вход и выход компонентов аксонемы и мембранных рецепторов для сигнальной трансдукции. Этот пропускной механизм не понятен в деталях, он может использовать механизм контроля качества для тубулина, который импортируется в ресничку62. Роль первичной реснички как сенсорной органеллы51-53, особенно во время развития, возрождает интерес к центриоли и базальному тельцу.
The centrosome-nucleus connection. У низших эукариот бросается в глаза система жгутиковых корешков (roots), обозначаемых также как соединитель базального тельца с ядром, связывающий ядро со жгутиковым аппаратом63 (Fig. 3a). Структура и состав этих корешков отличается в зависимости от того являются ли они контрактильными или не контрактильными.У Chlamydomonas reinhardtii , коннектор ядра с базальным тельцем является -богатойи Ca2+-зависимой контрактильной структурой64. Centrin белки ассоциируют со всеми типами хромосомных структур у большинства эукариот и принадлежат к двум разным и древним подсемействам кальций связывающего EF-hand сверхсемейства белков65. Centrins наиболее близки к calmodulin. Вследствие связывания Ca2+ богатые центрином волокна подвергаются конформационному переходу, который может изменять положение ядра, приближая его к базальному тельцу, напр., во время образования жгутиков66. Помимо поддержания связи ядра со жгутиковым аппаратом во время плавания клеток, функцией коннектора ядра с базальным тельцем заключается в связывании удвоенных и разошедшихся базальных телец с полюсами веретена во время митозов.
В модельных системах у высших эукариот, таких как клеточная слизистая плеснь Dictyostelium discoideum, плазмоидальная слизистая плеснь Physarum polycephalum, почкующиеся дрожжи Saccharomyces cerevisiae, филаментозный гриб Aspergillus nidulans и клетки животных, центросома сохраняет структурную связь с ядром, которая сохраняется во время выделения ядра67-70. Более того, соединение центросома-ядро, как было установлено, сущестенна для раннего развития C. elegans71 и D. melanogaster72.В самом деле у большинства видов животных тесная связь между основанием жгутика и ядром спермия гарантирует, что базальное тельце проникнет в яйцо с головкой спермия и трансформируется в центриолю, чтобы сформировать ассоциированную с самцовым пронуклеусом звездочку спермия.
Две главные функции были предположены для такой тесной связи центросома-ядро это контроль позиции ядра и контроль времени клеточного цикла, в частности начало митоза. Позиционирование ядра контролируется консервативным способом у разошедшихся видов посредством микротрубочек, которые закреплены своими минус концами на центросоме, благодаря активности цитоплазматического -комплекса73, 74. Цитоплазматический dynein является 20S комплексом75, моторная активность которого контролируется с помощью дополнительного dynactin комплекса, в котором actin-related protein-1 () является основным компонентом76. Эти направленные к минус концам моторы могут быть ассоциированы с плазматической мембраной77, 78 и тянуть центросому, перемещая тем самым ядро относительно клеточной периферии. Dynein моторы могут также ассоциировать с периферией ядра, поэтому за счет натяжения ассоциированных с центросомой микротрубочек они могут подтягивать центросомы ближе к ядру79, 80. Если микротрубочки не закреплены на центросоме, то ассоциированные с ядром моторы могут способствовать перемещению ядра. В соматических клетках и базирующееся на центросомах перемещение ядра и т.наз. ядерный трафик74 скорее всего скооперированы. Достаточны ли зависимые от микротрубочек перемещения, чтобы удерживать ядро вблизи центросомы, неясно77, 81, 82. Недавние результаты на D. discoideum показали, что dynein не нужен для закрепления, но нужен для регуляции расстояния между центросомой и ядром (R. Graf, personal communication). в
Зависимая от центросомы миграция ядра легко наблюдается у A. nidulans. Сеть генов nud (nuclear distribution) , которые участвуют в dynein-dynactin регуляции, была идентифицирована у этого вида. Эта сеть законсервирована и участвует в позиционировании ядра в клетках человека, особенно во время развития головного мозга73. Миграция нейронов подчеркивает динамику и важность соединения между центросомой и ядром83. Множество исследований in vivo выявляет существенную гибкость во взаимном позиционировании центросомы и ядра и роль сигнальных путей полярности в контроле этих перемещений78, 84-89. Моторный dynein комплекс контролирует также позицию клеточных ядер в ткани90.
Относительно контроля времени клеточного цикла за счет связи между центросомой и ядром растут доказательства, подтверждающие мнение, что центросомы действуют как интегральные центры для регуляторов митоза91, 92. У эмбрионов C. elegans центросомы способствуют разрыву ядерной оболочки и вступлению в митоз независимым от микротрубочек способом за счет локальной концентрации киназы, которая существенна для своевременного вступления в митоз во многих модельных системах93, 94. Центросомы достаточны, чтобы способствовать вступлению в митоз, как это было показано при анализе эмбрионов, у которых центросомы и пронуклеусы отсоединены др. от др.94.
Какого типа связь центросома-ядро совместима с перемещением массивного ядра через цитоплазму95? Консервативные белки являются возможными линкерами между ядром и центросомой. SUN (spindle pole body-associated protein SAD1 и uncoordinated protein-84 (UNC84)) домен96, , который впервые был описан у Schizosaccharomyces pombe и C. elegans, обнаруживается в белках внутренней ядерной мембраны у большинства видов. Домен взаимодействует с интегральными мембранными белками наружной ядерной оболочки, которые содержат консервативный KASH (Klarsicht, anchorage protein-1 and Syne homology) домен, такими как nesprins97 или zygote-defective protein-12 у C. elegans71. SUN-KASH взаимодействия контролируют размер просвета ядерной оболочки, кроме того служат в качестве коннекторов между ядерной оболочкой и цитоскелетом. SUN-доменовые белки являются также компонентами центросомы (известны как spindle pole body (SPB) у дрожжей)98, 99. Комплекс SUN-KASH у S. pombe находится на ядерной стороне центромерного гетерохроматина и организует специфический регион ядерной оболочки на её цитоплазматической стороне, в котором она взаимодействует с центросомой100. Комплекс SUN-KASH законсервирован у эукариот и это взаимодействие может указывать на новые пути, с помощью которых динамика хроматина испытывает влияние со стороны цитоскелета. Белок ядерной мембраны , будучи мутантным вызывает специфическую форму мышечной дистрофии, он также участвует в связи центросомы с ядром в клетках животных101. в
Golgi and the nucleus-centrosome connection. У низших эукариот положение Гольджи поддерживается за счет тесной ассоциации цис-Гольджи с цитоскелетными коннекторами ядро-базальное тельце63 (Fig. 3a). Это приводит к ориентации мембранного тафика в направлении основания аппарата движения, где актин-зависимые мембранные замены ограничены. Аппарат Гольджи у Trypanosoma brucei сцеплен со структурами, содержащими centrin102. Эта связь может быть эволюционно законсервирована, т.к. centrin-содержащие структуры присутствуют в центросоме клеток животных.
У высших эукариот аппарат Гольджи обычно расположен в центре клетки в тесной ассоциации с центросомой. Возникающие белки и pre-Golgi элементы, которые формируются на месте выхода из ER превращаются в сотни Golgi стеков (stacks), которые активно поддерживаются с помощью зависимого ог микротрубочек и dynein способа вокруг центросомы, где они сливаются, чтобы сформировать бросающиеся в глаза Golgi ленты103. Кроме того, независимое от микротрубочек взаимодействие между цис-Гольджи и околоцентросомным материалом использует некоторые крупные цитоскелетные белки104. В такой конфигурации внутриклеточные распределения биосинтетических секреторных аппаратов и аппарат эндоцитического пути располагаются вдоль соединения ядро-центросома-кортекс с помощью сети микротрубочек. Это создает двухстороннее движение вдоль оси полярности, которое д. облегчить рециклинг органелл между важными компартментами обоих путей и д. облегчать постепенные изменения липидов и мембранных белков, которые ассоциируют с процессингом и сортировкой грузов. При такой организации изменение позиции центросомы во время дифференцировки ведет к сочетанному перераспределению цитоскелета и эндомембран (Fig. 3a,c). Соотв. позиция аппарата Гольджи модифицируется когда центросомы элиминируются - напр., во время миогенеза вскоре после слияния миобластов и образования мышечных трубочек. Гольджи перераспределяется в виде концентрической околоядерной организации вдоль ядерной оболочки, где находится большая часть ER с цис-Гольджи, взаимодействующим с перераспределенным перицентриолярным материалом105. В противоположность миобластам позиционирование Гольджи оказывается независимым от микротрубочек, ситуация сравнимая с той, что наблюдается у низших эукариот. Итак, несмотря на важные различия, плавающие и мигрирующие клетки обладают в основном консервативными иерархическими соединениями, чтобы создать поляризованную клеточную архитектуру (Fig. 3).
Transmission of cell polarities
Позиционирование органелл и клеточная полярность довольно точно передаются посредством клеточных делений, а преемственность каждой органеллы нуждается в специфических механизмах, которые находятся вне задач данного обзора. Мы уже подчеркивали консервативную и доминантную роль соединений ядро-центросома и микротрубочки-кортекс в контроле общего асимметрического состояния клетки. Поэтому можно ожидать, что перенос клеточной асимметрии зависит от репродукции и трансмиссии этих соединений. Здесь мы сфокусируемся на наследовании центриолей и базальных телец, одном из стержневых процессов, управляющих этой репродукцией.
Transmission of cell polarities during division. Механизм удвоения центриолей и базального тельца консервативен: новая структура формируется в точной позиции рядом со 'старой' структурой106. Асимметрия после удвоения связана с возраст-зависимыми биохимическими различиями между старой и новой структурой. Эти свойства вместе с врожденной полярностью удвоенных центриолей и базальных телец помогают размножать стереотипический паттерн соединений с ассоциированными структурами28 (Box 1). Это особенно наглядно у жгутиковых: удвоение центриоли или базального тельца контролирует передачу зависимой от микротрубочек кортикальной полярности всей клетке за счет удвоения nucleus-centrosome-cortex соединения и ассоциированных структур, включая аппарат Гольджи. Это приводи к высоко скоординированному механизму субклеточной репликации63, 107, 108. У C. reinhardtii, generational асимметрия базальных телец и их способ наследования являются сигналами во время клеточного деления для поддержания кортикальной полярности, подобно локализации eyespot (Fig. 2b), что важно для выживаемости клеток109. У Trypanosoma brucei, репродукция кортикального микротрубочкового цитоскелета базируется на интеркаляции новых микротрубочек в старые наборы35, 110 , а удвоение Гольджи купировано с удвоением базального тельца111, 112. Кроме того, сборка жгутика контролирует размер клетки и цитокинез, а также позиционирование нового базального тельца, указывая тем самым на высоко интегрированный механизм клеточной репродукции113, 114.
У высших эукариот передача соединений ядро-центросома и микротрубочки-кортекс во время клеточных делений не столь прямолинейна как у жгутиковых. Эта передача является более гибкой (Fig. 4A), но нуждается в сложной координации между завершением и цитокинеза и в основном изучена у дрожжей. Старое SPB преимущественно наследуется дочерней клеткой S. cerevisiae115, тогда как у S. pombe наследование SPBs в митозе является предметом регуляции116. Законсервированные GTPase-регулируемые протеин-киназные каскады являются критическими для скоординированного завершения митоза с цитокинезом у обоих типов дрожжей117. В обоих случаях регуляторные комплексы накапливаются на SPBs, но два SPBs из делящейся клетки биохимически отличны в отношении ассоциированного протеин киназного каскада. Контроль асимметричной загрузки на SPB компонентов каскада неясен, но существует возможность структурных и биохимических различий, которые ассоциированы с generational асимметрией SPBs. Кроме того, кортикальные детерминанты расположения веретена у почкующихся дрожжей доставляются в кортекс с помощью микротрубочек118, 119, передавая тем самым асимметрию SPBs в кортекс. Во всех случаях дупликация и сегрегация центросом нуждается в репродукции соединения центросома-ядро. Важно, что консервативное удвоение SPB в почкующихся дрожжах предшествует консервативной дупликации ассиметрично ассоциированных полу-мостиков, которые участвуют в соединении центросомы с ядром. Полу-мостики - это богатые centrin структуры, которые формируются с помощью продольного белкаSfi1, который содержит повторные centrin-связывающие домены. N конец Sfi1 находится проксимальнее SPB, а C конец дистальнее120 (Fig. 4B).
Репродукция соединения центросома-кортекс варьирует в клетках животных (Fig. 4A). Вместе с контролем ориентации веретена с помощью внеклеточных сигналов121 (Box 2), эта изменчивость может быть частью механизма, контролирующего деления стволовых клеток и онтогенетические судьбы двух дочерних клеток. Доказательства, полученные на мухах и позвоночных указывают на то, что аппарат, который управляет асимметрией в стволовых клетках использует консервативную дупликацию центросом, чтобы ориентировать митотическое веретено82, 122, 123 (Fig. 4A). В личиночных нейробластах мух124, старая центросома организует мощную звездочку, которая обычно взаимодействует с апикальным кортексом, тогда как др. центросома теряет активность по организации микротрубочек незадолго перед митозом, как только она достигает местоположения вблизи базального кортекса. Приводят ли дефекты этого механизма и неспособность ориентации веретена к трансформации стволовых клеток и раку, является важным вопросом82, 123.
Было предположено125, что generational асимметрия полюсов веретена предоставляет сигналы механизму, который поддерживает классическую 'immortal strand hypothesis' относительно обновления стволовых клеток, согласно которой одна дочерняя клетки избирательно сохраняет старую матричную нить ДНК из каждой хромосомы126. Было бы хорошо установить, происходят ли все деления неравным способом, исходя из generational асимметрии центросом127. в
Transmission of cell polarities in tissues. Консервативная дупликация центриолей или базальных телец и полу-консервативная сегрегация каждой из пар центриолей приводит к постоянной асимметрии центросом. Довольно трудно отследить клонирование центриолей в ходе последовательных делений в ткани. Однако конверсия центриолей в базальные тельца, которая предшествует росту первичной реснички, непосредственно зависит от асимметрии пары центриолей в центросоме: только старая центриоля приобретает специфическую структуру, которая необходима для её помещения в плазматическую мембрану. Будучи собранной первичная ресничка становится сенсорной органеллой, которая является ключом для установления полярности в формировании паттерна ткани и нейрогенезе52, 53, и маркером клона центриолей. Растут доказательства, подтверждающие связь между позиционированием первичной реснички и контролем планарной полярности128-130, хотя механизм, который гарантирует эту связь ещё предстоит выяснить. Наблюдение, что некоторые белки могут быть обнаружены как в базальном тельце первичной реснички, так и в межклеточных и клетка-ECM контактах27, 131 указывает на то, что адгезии ммогут непосредственно участвовать в формировании клеточной полярности благодаря позиционированию и ориентации реснички в регистре с планарной полярностью. Интересно, что существуют давние доказательства предетерминированной полярности в плоскости яйцевода птиц, которая предшествует активации дифференцировки реснички132. Т.о., структурное наследование благодаря консервативной дупликации центриолей, которая наблюдается у жгутиковых, может иметь параллели в клетках млекопитающих.
External control through cell adhesion
В тканях животных все клетки адаптируют коллективное поведение с одной и той же осью полярности и идентичным позиционированием их органелл. Наложение кортикальных контракций и клеточных адгезий, по-видимому, является основным механизмом клеточно-ориентированных процессов133. Межклеточные соединения и клеточные адгезии с ECM соединены с и регулируют внутриклеточный цитоскелет посредством структурных и сигнальных молекул. Растут доказательства, что адгезивные белки могут локализоваться на центросомах и регулировать их активность27, 134, 135. Прямая регуляция активности или позиционирования центросом посредством адгезии может предоставлять мощный способ регуляции клеточной полярности и позиционирования органелл. Клеточная реакция на внешние сигналы может быть проанализирована в контролируемых условиях путем предоставления адгезивных сигналов индивидуальным клеткам.
Адгезивные свойства могут быть точно контролируемы путем помещения клеток в microfabricated условия, в которых одиночная клетка распластываться и делиться (Box 2), но клеточная миграция ограничена, как в ткани136, 137. Клетки растут на идентичных микропаттернах, обнаруживая идентичное позиционирование органелл, но в противовес ткани, позиционирование органелл отвечает на контролируемые модифкации.
Строительные или организующие принципы могут быть протестированы экспериментально в контролируемых условиях с микропаттернами. Напр., актиновый кортекс непосредственно отвечает на адгезию138, 139 (Fig. 5): формируются преимущественно в областях применения тянущих сил, вблизи от крупных на верхушке клетки140-142. Позиционирование ядра с помощью базирующихся на центросомах звездочек может быть проанализировано. Динамика микротрубочек на плюс конце варьирует в соответствии с локальной активностью сети актиновых микрофиламент. Микротрубочки растут к и вдоль стрессовых волокон 143 и прекращают рост, когда они достигают адгезивных областей, в которых актин полимеризуется139. Несмотря на эти различия звездочка из микротрубочек сохраняет центросому в центральном положении, независимо от геометрии адгезии и организации актина. Однако центрирование центросомы приводит к выталкиванию ядра из центра в направлении не-адгезивных и контрактильных регионов139. Позиционирования ядра предопределяет позицию ER и эндомембран. Они, в свою очередь, используют звездочки из микротрубочек для своего внутриклеточного распределения. Аппарат Гольджи устанавливает дополнительные взаимодействия с перицентросомным материалом. Итак, все внутреннее распределение компартментов может контролироваться с помощью относительной диспозиции адгезивных и не-адгезивных регионов (Fig. 5).
Физические свойства внутренней организации могут быть исследованы в изолированных клетках с помощью манипуляций с размерами и формой индивидуальных микропаттернов. Область клетки, распространяющая позитивно влияния клеточной контрактильности, и тем самым влияет на клеточную дифференцировку144, рост и гибель145. Геометрия клеточного прикрепления - субклеточный изгиб периметра146 - влияет на локализацию и размер фокальных адгезий и контрактильные кабели актина147, это становится более заметным, когда они образуют мостик на адгезивную область, которая отделана неадгезивными краями148. Можно также изучать динамику репозиционирования органелл на микропаттернах, позволяя клетке мигрировать в контролируемых условиях. Поляризованные микропаттерны и прямые линии были использованы для изучения позиционирования сети149, ядра. центросомы и аппарата Гольджи95, 150, 151, и постоянного движения152 во время клеточной миграции. Эти исследования показывают, что позиционирование центросомы и Гольджи во фронте или тылу клетки зависит от типа клетки, но может быть изменено с помощью геометрического ограничения во время миграции, возможно посредством актинового кортекса
95, 151.
Conclusion and perspectives
We conclude that swimming unicellular lower eukaryotes and migrating metazoan cells display mostly conserved organizational principles. A cell-wide and polarized extension of an array of microtubules around a unique nucleus-associated structure is observed in all cases. The nucleus-associated structure in animal cells contains the highly conserved centriole or basal body, which is also present at the base of the flagellum of lower eukaryotes. This has a defined polarity that can be transmitted to the cell. Its conservative mode of duplication seems to be a core mechanism for the transmission of polarities during cell division and could have an important role in morphogenesis.
Several questions remain. Is the cell a uniquely structured system, in which all organelles are connected to each other? Growing evidence for a continuum between the nucleoskeleton and the cytoskeleton in animal cells, in which lamins or intermediate filaments are involved, would seem to support this view. The ancient calmodulin-related protein centrin forms conspicuous cell-wide nets of filaments in unicellular models, such as Paramecium tetraurelia153 and C. reinhardtii154. So, is there a similar but perhaps less organized network in animal cells? Alternatively, are spatial information and organelle positioning dependent on intracellular biochemical gradients20, 21, 155? Are microtubules able to both govern the distribution of organelles through molecular motors and also set gradients of enzymatic activities156? Indeed, not only their positioning but also the size of organelles is controlled157.
Finally, are the polarities of eukaryotic cells inherited from the polar organization of the swimming unicellular ancestor? Is there a unique ancestral 'body plan' for the eukaryotic cell, from which only a small number of contemporary types of cell organization have evolved in divergent unicellular and multicellular organisms? Cell polarity that is necessary for embryo development is triggered in most species by the sperm-derived centrosome. Clearly, throughout evolution multicellularity has preserved and exploited the polar organization of individual cells, leading to specialized tissues that maintain a collective polarized cell organization that is proficient for their activity.
