Генетический Контроль

Random versus directionally persistent cell migration Ryan J. Petrie, Andrew D. Doyle and Kenneth M. Yamada Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 538–549 (1 August 2009) \| doi:10.1038/nrm2729
Directional migration is an important component of cell motility. Although the basic mechanisms of random cell movement are well characterized, no single model explains the complex regulation of directional migration. Multiple factors operate at each step of cell migration to stabilize lamellipodia and maintain directional migration. Factors such as the topography of the extracellular matrix, the cellular polarity machinery, receptor signalling, integrin trafficking, integrin co-receptors and actomyosin contraction converge on regulation of the Rho family of GTPases and the control of lamellipodial protrusions to promote directional migration. Box 1 Chemokinesis, chemotaxis and directional migration Box 2 Regulatory proteins and the Rho GTPase cycle of activation Box 3 Canonical and non-canonical Wnt signalling Motogenic signal A signal, such as a growth factor, that activates the cell motility machinery without providing directional information and thereby triggers intrinsic cell migration. Extracellular matrix A network of proteins and polysaccharides secreted by cells that provides structural support for cells in tissues. Lamellipodium A flattened, actin-rich protrusion found at the leading edge of a migrating cell. Integrin A member of a large family of transmembrane proteins, which exist in the plasma membrane as heterodimers of α and β subunits and frequently mediate the interaction of cells with the ECM. Chemokinesis Non-directional cell migration triggered by an extracellular cue. Contact guidance The process by which cells are guided by topographical structures that are often associated with the ECM. Gastrulation The process during embryogenesis whereby the embryo is transformed from a hollow sphere of cells into a structure with three germ layers: ectoderm, mesoderm and endoderm. Lamella The flattened region immediately behind the lamellipodium. Glu-tubulin (Also known as detyrosinated tubulin). A post-translational modification of tubulin that is associated with microtubule stabilization. Metastasis The spreading of cancer cells from a site of origin to distant parts of the body, which often involves cell motility. GTPase-activating protein (GAP). A protein that accelerates the intrinsic GTPase activity of small G proteins to inactivate them. Scratch wound healing assay An in vitro cell motility assay. When an area of cells in a monolayer is cleared (scratched), cells will directionally migrate into the wound and close it. Guanine nucleotide exchange factor A protein that activates small G proteins by catalysing the exchange of GDP for GTP. Anterograde transport The transport of material from the Golgi to the cell surface through the secretory pathway. Retrograde actin flow The net movement of filamentous actin away from the cell edge. Dishevelled A family of cytoplasmic proteins that participate in Wnt signalling immediately downstream of the Frizzled receptors. Cell cortex An actin-rich layer near the inner surface of the plasma membrane. Caveola A flask-shaped invagination of the plasma membrane that contributes to cell polarity and directional cell migration. Arp2/3 A protein complex that nucleates actin filament growth from the sides of pre-existing actin filaments to form branched actin networks. Clathrin-coated pit An invagination in the plasma membrane that is coated by lattices made up of the protein clathrin and is the precursor to an endocytic vesicle. Rab family A large family of small GTPases, found on organelles and the plasma membrane, that confer specificity on vesicle docking and membrane trafficking. Matrigel A commercially available basement membrane matrix, composed primarily of laminin and collagen, which can be used as a 3D tissue culture model for studying cell migration and differentiation. Proteoglycan A protein core that is linked to at least one long, linear and highly charged polysaccharide chain. Focal adhesion A large protein complex that mediates the attachment of the ECM to the actin cytoskeleton through an integrin heterodimer. Neural crest A group of cells that migrate to various regions of the embryo and form, in part, the bones of the skull and teeth and portions of the peripheral nervous system. Morpholino A synthetic molecule that binds to specific mRNAs to block their translation and is thereby used to assay protein function. Contact inhibition The response that occurs when a migrating cell contacts another migrating cell and changes direction to move away from the point of contact. DATABASES UniProtKB: http://www.uniprot.org βPIX \| CDC42 \| CDC42GAP \| NHE1 \| NUDEL \| NUMB \| PAK1 \| PAR3 \| PAR6 \| PTEN \| RAB4 \| RAB11 \| RAB25 \| RAC1 \| ROR2 \| TIAM1 \| WNT5A \| WNT11 FURTHER INFORMATION Kenneth M. Yamada’s laboratory homepage: http://www.nidcr.nih.gov/Research/ NIDCRLaboratories/ CellDevelopmental/CellBiology.htm	Миграция клеток важна для эмбриогенеза, иммунного надзора и заживления ран. Базовые механизмы клеточной подвижности достаточно хорошо изучены. Чтобы мигрировать эффективно, клетки д. иметь асимметричную морфологию с четко определёнными ведущим и ведомым краями. Поляризованная внутриклеточная передача сигналов ориентирует выпячивания ведущего края, интегрином обеспечиваемую адгезию с подлежащим субстратом и контракцию и отсоединение определенных регионов клетки, чтобы обеспечить целостную подвижность клетки. Последовательность этих ступеней, известных как цикл клеточной подвижности, происходит в широком наборе эпителиальных и мезенхимных клеток, которые мигрируют в разных условиях в ответ на разные факторы. Пока неясно, как эта базовая кухня подвижности купирована с регуляторным механизмом, который интегрирует средовые сигналы с поляризованными сигналами, адгезией и ремоделированием цитоскелета, чтобы обеспечить направленную постоянную миграцию. Концептуально направленная клеточная миграция имеет два источника: внутренне присущяя клеточная направленность и внешняя регуляция. Прирожденная направленность наблюдается. когда клетки отвечают на не-направленный митогенный сигнал, такой как униформно распределенный platelet-derived growth factor (PDGF) , который запускает базовый аппарат подвижности в отсутствие какого-0либо внешнего направляющего фактора (Box 1). Случайная миграция происходит, когда клетка имеет низкую прирожденную направленность. Если митогенные стимулы присутствуют в виде внешнего градиента ил др. внешнего сигнала наведения, то управляющий или compass механизм, связанный с базовым аппаратом подвижности, отвечает на асимметричный средовой фактор. Клетка затем подвергается направленной миграции. Природа асимметричного сигнала м. часто предопределять тип направленной миграции. Клетки испытывают хемотаксис в ответ на растворимые сигналы, haptotaxis в ответ на градированную слипчивость в подлежащем субстрате или др. сигналы ведения, закрепленные во extracellular matrix (ECM), electrotaxis в ответ на электрические поля и durotaxis в ответ на механические сигналы в среде. И прирожденная и внешне направляемая миграция может быть охарактеризована количественно по её скорости и сохранению направления. Факторы могут изменять скорость миграции путем нарушения базового механизма клеточной подвижности. Напр., ингибирование enabled/vasodilator-stimulated phosphoprotein (ENA/VASP) семейства актин-связывающих белков замедляет динамику ламеллиподий и увеличивает скорость миграции. Факторы, которые затрагивают механизм контроля, могут изменять степень сохранения направленности. Напр., если phospholipase A₂ (PLA₂ ) и phosphoinositide 3-kinase (PI3K) изоформы 1 и 2 устранить у Dictyostelium discoideum, то клетки мигрируют с почти нормальной скоростью, но они более не обеспечивают эффективный хемотаксис. Агенты, которые увеличивают случайность прирожденной миграции, часто д. снижать направленную миграцию. Напротив, факторы, которые увеличивают сохранение направленности во время врожденной подвижности, могут способствовать направленной миграции. Недавние исследования персистенции случайной в противовес направленной миграции во время прирожденной подвижности, по-видимому, сходятся на существовании фундаментального механизма, лежащего в основе направленной миграции. Клетки приобретают направленную персистирующую миграцию за счет формирования и стабилизации богатых актином выпячиваний или ламеллиподий, которые поддерживают ориентацию ведущего края. Множественные факторы могут влиять на этот процесс, включая топографию DRV? клеточную полярность и клеточную адгезию. can influence this process, including the topography of the ECM, cell polarity and cell adhesion. Понимание того, как эти факторы интегрируются, чтобы регулировать направленную миграцию остаются невыясненными. Однако ясно, что передача внутриклеточных сигналов часто обеспечивается на ведущем крае с помощью семейства малых GTPases (Box 2), оперирующих на каждой ступени цикла клеточной подвижности, чтобы обеспечивать направленную миграцию путем регуляции образования ведущего края. Здесь обсуждается связь между стабильностью выпячиваний на ведущем крае и направленностью клеточной миграции. Кроме того, рассматривается, как топография ECM вносит вклад в поляризацию и направленную миграцию. Наконец, исследуется, каковы молекулярные механизмы, которые управляют каждой ступенью базового цикла подвижности - поляризации, выпячиваний, динамики интегринов, контракции и отсоединения - могут регулировать направленную персистирующую миграцию (FIG. 1). Рис. 1. Stable protrusions guide migration Клетки отличаются по своему уровню направленной персистирующей миграции, свойству, которое может быть выражено количественно во время хемокинеза. Новые выпячивания обычно генерируются из уже существующего ведущего края скорее, чем в др. направлениях вокруг клетки. Процесс, которые ограничивает боковые выпячивания, лежит в основе направленной миграции у фибробластов, лейкоцитов и D. discoideum. Некоторые клетки могут мигрировать без ламеллиподий, используя базирующуюся на пузырьках (bleb-based) подвижность, но роль такой миграции в случайной или направленной подвижности неясна. Из за ограничения места этот обзор сконцентрируется в основном на исследованиях подвижности мезенхимных и эпителиальных клеток. Обзоры по направленной миграции нейтрофилов и D. discoideum см. REFs 17 -19. Локальная передача сигналов в выпячиваниях в ответ на внешние сигналы наведения может управлять образованием новых выпячиваний in vitro и in vivo. Напр., ведущий край нейронов, мигрирующих в ЦНС состоит из множественных удлиняющихся и втягиваемых веточек. Сходным образом кончики эндотелиальных клеток на растущих концах новых кровеносных сосудов имеют по нескольку выпячиваний на их ведущем крае, которые управляют их траекторией. В обоих случаях направление миграции предопределяется ориентацией наиболее стабильной ветчоки, которая регулируется с помощью внешних сигналов наведения и внутренней передачи сигналов. ECM topography guides migration Клеточная адгезия может управлять направленностью миграции; напр., слипчивость с подлежащим субстратом стабилизирует выпячивания ламмелиподий во время хемотаксиса и хемокинеза. Топография ВКМ также может регулировать клеточную подвижность посредством физических сигналов, которые геометрически выстраивают места адгезий, чтобы вести направленную миграцию (FIG. 2). Во время durotaxis, при котором пластичность подлежащего ВКМ влияет на скорость миграции, фибробласты мигрируют в направлении ригидной поверхности или локальной области высокого натяжения в эластичном полиакриламидном геле. Поэтому, когда клетки обследуют своё физическое окружение, они получают механическую информацию или сигналы. которые помогают установить направление миграции - напр., миграция клеток в направлении увеличивающегося адгезивного градиента ВКМ во время haptotaxis⁷. Рис. 2. Классические исследования взаимодействий клеток с сетью фибриллярных белков фибринового сгустка показали. что клетки могут переориентировать ВКМ, который в свою очередь может изменять морфологию и миграцию мезенхимных клеток. В этом процессе, наз. контактным ведением, физическая структура окружающего ВКМ помогает контролировать форму и миграцию клеток. Сходные эффекты топографии ВКМ обнаружены во время миграции одиночной мезенхимной клетки и эмбриогенеза. При гаструляции амфибий выровненные фибриллы ВКМ облегчают миграцию мезодермальных клеток в направлении анимального полюса. Выравнивание фибриллярного матрикса in vitro может контролировать миграцию, это согласуется с ролью ориентации ВКМ в обеспечении направленной миграции этих клеток in vivo^28,29 Surface topography influences polarity and migration. 'Natural' клетками создаваемые условия содержат множественные компоненты, включая др. молекулы, помимо ориентированных фибрилл DRV, которые могут влиять на направленность (напр.. факторы роста, связанные с ВКМ). Поэтому некоторые биоэнергетические исследования тестировали эффекты физических паттернов из бороздок или гравировок в органическом субстрате. Мезенхимные клетки рыб, эксплантированные на параллельные бороздки в кварце, покрытом только денатурированным type I коллагеном, удлинялись, поляризовались и мигрировали вдоль продольных осей борозд. Этот поляризующий эффект топографических паттернов наблюдался для широкого круга типов клеток, включая олигодендроциты³¹, нейроны гиппокампа³² и эпителиальные клетки³³. Тесты нанотопографических паттернов показали. что фибробласты могут реагировать на паттерн борозд с глубиной и шириной в 35 nm и 100 nm, соотв., это соответствует ширине одиночной фибриллы коллагена (~30-100 nm). Эти исследования показали, что взаимодействия клеток с физическими структурами могут индуцировать реакции и передачу сигналов независимо от химических факторов, чтобы способствовать направленной миграции with physical structures can induce responses and signalling independently of chemical factors to promote directional migration. 3D ECM structures promote directional migration. Миграция клеток и регуляция направленной персистирующей миграции изучали прежде всего in vitro на двумерных поверхностях. Однако трехмерность может существенно влиять на морфологию, передачу сигналов и миграцию фибробластов³⁵. Одиночные мигрирующие фибробласты в 3D матриксе, продуцируемом клетками, часто обнаруживают веретенообразную и одно-осевую морфологию^24,25 (FIG. 2b). Механическое уплощение 3D продуцируемых клетками матриксов или покрытие 2D поверхностей растворимыми молекулами 3D матриква воспроизводит простой 2D субстрат с соотв. морфологией клеток, адгезией и случайной миграцией. Интересно, что веретеноподобная одноосевая морфология клеток в 3D матриксе может быть индуцирована с помощью прослаивания (sandwiching) фибробластов между двумя 2D эластичными полиакриламидными гелями, покрытыми коллагеном³⁶. Эти результаты показали, что число измерений или, по крайней мере, контакты досального и вентрального матрикса, могут помочь регулировать форму и способ миграции фибробластов. Необходимо отметить, что реакция клеток на фибриллярные 3D структуры может быть клеточно-специфичной и зависеть от способа миграции клеток (т.е. одиночные клетки или слои). Далее амёбоидные клетки, которые подвергаются integrin-независимой миграции, могут реагировать только на физические ограничения ВКМ скорее, чем фибриллярные структуры ВКМ³⁷. Рис. 3. 1D topography underlies migration on 3D fibrils. Тканевое и ВКМ окружение клеток может отличаться в отношении ориентации ВКМ; напр., определенные фибробласты человека могут продуцировать сильно ориентированные 3D матриксы³⁸, тогда как др. матриксы обнаруживают незначительную ориентацию. Миграция клеток вдоль сильно ориентированного матрикса является направленной и быстрой³⁹, со многими клетками 'выстроившимися в поток' одна за др. вдоль фибрилл фибронектина (A.D.D., un published observations). Эти ориентированные фибриллы матрикса могут воспроизводиться одиночной 1.5 µm линией, генерируемой с помощью micro-photoablation и покрытой матриксом. Эти в основном 1D фибриллы также заставляют клетки принимать одноосевую морфологию с одиночной ламеллой³⁹ (FIG. 2b). Миграция вдоль 1D паттернов быстрая (>1.5-раза выше, чем на 2D поверхности), однонаправленная и сильно упорядоченная (как показывают скоординированные циклы выпячивание-ретракция) и не зависит от плотности лиганда. Эти свойства соответствуют таковым клеток, мигрирующих через ориентированный 3D продуцируемый клетками матрикс. Др. сходства между 1D и ориентированными 3D моделями, которые не имеют сходства с 2D моделями, включают характерную локализацию ключевых адгезивных компонентов (α5 integrin и активированный β 1 integrin), присутствие стабилизированного Glu-tubulin в аксон-подобный паттерн, ориентация в сторону тыла аппарата Гольджи и центросом (оба из них стремятся в направлении ведущего края в 2D моделях заживления ран (see below)) и чувствительность миграции клеток к ингибированию клеточной контрактильности и нарушению микрорубочек. Поэтому ассоциации клеток с фибриллярными структурами, по-видимому, предоставляют важные физические сигналы, чтобы инициировать клеточную поляризацию за счет регулирования формы клеток и ориентации клеточных органелл, сто приводит в результате к однонаправленной миграции клеток (FIG. 2a). Nanofibre topography can guide cell migration in vivo. Фибриллярные топографические сигналы в форме 1D нанофибрилл могут направлять рост аксонов и миграцию глиальных клеток in vivo^40,41 . После повреждений спинного мозга, неспособность к регенерации аксонов ведет к параличу. Эта клиническая проблема частично обусловлена неспособностью аксонов пересекать ткань рубца, которая генерируется локально глиальными клетками, проникающими в рану и физически блокирующие регенерацию аксонов⁴¹. Непосредственно после повреждения спинного мозга у животных моделей введение пептидов амфифильных молекул, которые способны к самосборке, редуцирует образование глиального шва и способствует росту двигательных и чувствительных нейронов через область раны. Хотя необходимы еще множественные исследования, чтобы понять, как топографические физические сигналы участвуют в направленной миграции in vivo, ясно, что ассоциация клеток с ВКМ, имеющая определенную структуру, или 2D поверхность, 3D матрикс или 1D линию, может строго влиять на клеточную полярность, морфологию и миграцию. Topography of ECM fibrils and cancer invasion. Клеточная миграция может быть сегодня изучена in vivo, используя новые подходы. Напр., изучение in vivo эксплантов при анализе метастазов рака груди выявило, что метастатические опухолевые клетки и макрофаги мигрируют быстро вдоль коллагеновых волокон. Высоко инвазивные опухолевые клетки мигрируют преимущественно вдоль волокон. Сетчатая ориентация коллагенового матрикса, который окружает молочные железы, может закрепить и/или ограничить клетки⁴³. Однако, плотный фиброзный коллаген, который характерен для стромы рака груди, формирует радиальный паттерн, который распространяется прочь от опухоли (FIG. 2c). In vitro эксперименты показывают, что параллельные коллагеновые волокна, которые отходят от опухолевых эксплантов, могут способствовать инвазии опухолевых эпителиальных клеток, тогда как нелинейный матрикс снижает инвазивное поведение⁴⁴. Опухолевые клетки ремоделируют матрикс в такие параллельные волокна, чтобы мигрировать. Эти данные указывают на то, что ориентированные ВКМ играют частично роль в направлении миграции и инвазии in vivo. Понимание этих механизмов может предоставить наилучшую модель ракового метастазирования и процессов развития. Connecting topography to directional migration. Важно определить, как топография ВКМ связана с внутриклеточной передачей сигналов, чтобы способствовать направленной клеточной миграции. Integrin рецепторы и физическое расположение адгезий может запускать ориентацию цитоскелета, что способствует направленной клеточной миграции. Напротив, специфическая топография матрикса может влиять на клеточную полярность или доставку integrin (see below). Хотя ориентация матрикса может стабилизировать выпячивания ведущего края, способствуя тем самым направленной персистирующей миграции, специфические сигнальные пути ещё предстоит определить. Polarity and directional migration Клетки содержат аппарат передачи сигналов полярности, которые могут влиять на направленную подвижность клеток. Такая поляризация влияет на формирование ведущего и ведомого клеточных краёв. Комплекс Par (partitioning defective) , состоящий из PAR3, PAR6 и atypical protein kinase C (aPKC), соединяет передачу сигналов Rho GTPase, переориентацию центросом, стабилизацию микротрубочек и направленную мембранную миграцию, чтобы регулировать постоянство направления во время прирожденной клеточной миграции (FIG. 3). Активация Par поляризует широкий круг клеточных процессов, включая формирование оси фронт-тыл в мигрирующих клетках, а также симметричность клеточных делений и базально-апикальную полярность эпителиальных клеток. Стабильность оси фронт-тыл коррелирует со степенью персистенции направленного клеточного движения⁴⁶. Рис. 4. Член семейства Rho GTPase CDC42 является мастером регулятором поляризации клеток, которая влияет на направленную миграцию⁴⁷. Использование интегрина компонентами ВКМ может локально активировать CDC42 в субрегионах плазматической мембраны⁴⁸. Активный CDC42 затем рекрутирует Par комплекс на плазматическую мембрану, где активируется aPKC⁴⁸. Активность CDC42 может также быть регулируемой на ведущем крае мигрирующих клеток с помощью фосфопротеина NuDEL (также известного как NDEL1)⁴⁹. NuDEL фосфорилируется с помощью Ser/Thr kinase extracellular signal regulated kinase (ERK) на ведущем крае, чтобы локально секвестрировать CDC42 GTPase-activating protein (CDC42GAP; также известный как ARHGAP1). Эта секвестрация может удержать CDC42GAP от локального подавления активности CDC42 и может вносить вклад в CDC42-зависимую активацию комплекса Par, чтобы запускать образование поляризованных выпячиваний и направленную персистирующую клеточную миграцию⁴⁹. CDC42 может способствовать направленной клеточной подвижности фибробластов в испытаниях заживления ран от царапин in vitro , т.к. клетки мигрируют в область обнаженных клеток^50,51. Следует предостеречь, однако, такие не эпителиальные монослои редки in vivo. CDC42 активирует p21-activated kinase 1 (PAK1), которая рекрутирует RAC1 guanine nucleotide exchange factor (GEF) β PIX (также известный как ARHGEF7) на ведущий край, где он может локально активировать RAC1, чтобы инициировать выпячивания и направленную миграцию⁵². PAR6 и aPKC действуют иерархически ниже CDC42, чтобы стабилизировать микротрубочки на ведущем крае, тогда как dynein мотор одновременно действует, чтобы удерживать центросомы в соотв. положении, приводя в результате к финальному расположению ядра, центросом и ведущего края вдоль оси фронт-тыл⁵⁰ в 2D клеточной культуре. Связывающие микротрубочки белки на ведущем крае тем самым способствуют локальным выпячиваниям и направленной миграции путем регулирования образования адгезий и, способствуя антероградному транспорту материала из Гольджи на активный ведущий край, чтобы пополнять материал, удаляемый комбинации выпячиваний и ретроградного тока актина^{54, 55}. Во время этого процесса, CDC42 запускает ретроградный ток актомиозина посредством его нижестоящего эффектора, myotonic dystrophy kinase related CDC42-binding kinase (MRCK; также известной как CDC42BPA), в комплексе с myosin 18A и leucine repeat adaptor protein LRAP35A^{50, 56}. CDC42 регулируемый ретроградный ток actomyosin перемещает ядро в тыл клетки. Wnt signalling and directional migration. Дополнительные пути могут кооперироваться с CDC42 и Par комплексом, чтобы способствовать направленной миграции. Wnts являются семейством секретируемых белков, которые регулируют клеточную судьбу и формирование тканевого паттерна. Передача сигналов Wnt классически вносит вклад в поляризацию ткани в развивающихся эмбрионах и, как недавно было показано, вносит вклад в полярность клеток и направленную подвижность. Белки Wnt регулируют экспрессию генов посредством канонического пути или регулируют динамику цитоскелета и поляризацию клеток посредством не канонического пути(Box 3). WNT5A запускает не каноническую передачу сигналов Wnt и клеточную подвижность путем соединения с рецептором Frizzled и альтернативным рецептором или ко-рецептором RoR2, рецепторной Tyr киназой⁵⁷. В монослоях фибробластов с царапанной раной соединение WNT5A с Frizzled рецепторами вызывает цитозольный медиатор, Dishevelled чтобы запустить переориентацию Golgi и центросом посредством опухоль-супрессрующего белка adenomatous polyposis coli (APC) и в кооперации с путем CDC42-Par-aPKC⁵⁸, чтобы стабилизировать вновь формируемые микротрубочки в направлении вновь формируемого ведущего края. Важно, что использование RoR2 с помощью WNT5A необходимо для направленной миграции фибробластов во время заживления ран царапин в присутствии WNT5A и для хемотаксиса в направлении источника WNT5A^57,59. Regulation of Rho GTPases by the Par complex. Помимо образования оси фронт-тыл, которая важна для направленной клеточной миграции , комплекс Par является фокальной точкой для взаимодействия между малыми GTPases CDC42, RAC1 и RHoA. RAC1 и CDC42 могут способствовать активности RHoA на тыльной стороне клетки с целью образования ведущего и подтягиваемого края, что необходимо для эффективной миграции клеток^60,61. Это взаимодействие может также происходить по фронту клетки, чтобы координировать адгезию, выпячивания и ретракцию ведущего края⁶². Т.о., Par-обеспечиваемое взаимодействие между из Rho семейства GTPases может быть критическим фактором, который регулирует клеточную морфологию и миграцию. Помимо рекрутирования β PIX, CDC42 может активировать RAC1 на ведущем крае посредством Par комплекса. В клетках нейробластомы активный CDC42 соединяется с Par комплексом и помогает рекрутировать GEF T-lymphoma invasion and metastasis-inducing protein 1 (TIAM1) на едущий край, где он локально активирует RAC1 (REF. 63). Сходным образом TIAM1 доставляется на ведущий край за счет непосредственного соединения с PAR3 в эпителиальных клетках. Истощение или TIAM1 или PAR3 снижает поляризацию фрон-тыл, увеличивает случайность клеточной миграции и снижает чувствительность клеток к хемотактическим сигналам^64,65. Активная Rho-associated protein kinase 1 (RoCK1), которая находится ниже GTP-связанной RHoA, может противодействовать активации RAC1 на ведущем крае путём фосфорилирования PAR3 и разрушающего комплекса, так что предупреждается активация RAC1 с помощью TIAM1⁶⁵. Такое фосфорилирование PAR3 на ведущем крае необходимо для поляризации и направленной клеточной миграции⁶⁵. Путём доставки TIAM1 во фронт клетки PAR3 способствует стабилизации микротрубочек м образованию ламеллиподий, чтобы обеспечить направленную персистирующую миграцию для врожденной и внешне направляемой клеточной подвижности. Хотя точная связь между TIAM1 и локальной стабилизацией микротрубочек ещё не установлена, белок, связывающий плюс-концы микротрубочек, cytoplasmic linker- associated protein 2 (CLASP2) обеспечивает стабильную ассоциацию микротрубочек с клеточным кортексом на ведущем крае⁶⁶. Как и в случае PAR3 и TIAM1, истощение CLASP2 уменьшает количества стабильных микротрубочек и увеличивает случайную подвижность. Хотя снижение активности RAC1 в фибробластах ведет к направленной персистирующей миграции¹⁴, потеря TIAM1 в кератиноцитах ведет к снижению общей активности RAC1, это усиливает случайную миграцию⁶⁴. Соответственно, локальное ограничение активной RAC1 ведущим краем за счет комбинированного действия PAR3 и TIAM1 может быть ключевым фактором, способствующим направленной персистирующей подвижности. В фибробластах, однако, TIAM1-обеспечиваемая активация RAC1, ассоциирует с усилением межклеточных взаимодействий и потерей клеточной подвижности. Эти расхождения указывают на то, что функция специфических GEFs может заисеть от контекста⁶¹. Caveolin 1, принципиальный компонент caveolae, может действовать параллельно с Par комплексом и вносить вклад в полярность и направленную миграцию⁶⁷. Направленная миграция как при заживлении ран, так и при хемотаксисе нуждается в фосфорилировании caveolin 1. Дефицит caveolin 1 снижает активность RHoA и увеличивает уровни активных RAC1 и CDC42 (REF. 68). Эти уровни повышенной активности в эмбриональных фибробластах мыши ассоциируют с быстрым оборотом зарождающихся адгезий и увеличивают случайные выпячивания⁶⁸. Эмбриональные фибробласты мыши обнаруживают нарушение направленной миграции клеток во время заживления ран, это согласуется с глобальным увеличением активности RAC1. SRC kinase-обеспечиваемая активация p190RhoGAP (также известного как GRLF1) в этих клетках может вносить вклад в ингибирование активности RHoA и снижение направленной миграции. Альтернативно, удаление caveolin 1 может способствовать активности RAC1 и увеличивать случайность миграции за счет снижения интернализации RAC1-связывающих сайтов с плазматической мембраны⁶⁹. Итак, эти находки согласуются с мнением, что взаимный антагонизм между активностью RAC1 и RHoA, который координируется с помощью Par комплекса и caveolin 1, может быть важен для направленной персистирующей миграции Protrusion and directional migration Основными факторами, которые определяют ориентацию клеточной миграции, являются частота и направленность локальных ламмелиподиальных выпячиваний, которые распространяются вбок от основной продольной оси клетки^5,15. Внутриклеточные сигнальные пути на ведущем крае, которые регулируют ремоделирование актинового цитоскелета или образование адгезий или стабилизируют локальные выпячивания, скорее всего вносят вклад в направленную миграцию⁶. Ca²⁺ regulation of the leading edge. Локальные изменения в концентрации внутриклеточного Ca регулируют направленную клеточную миграцию. Временное, пространственно ограниченное увеличение Ca²⁺ ведет ростовой конус миграции во время haptotaxis⁷⁰ и chemotaxis⁷¹. Локальные колебания внутриклеточного Ca²⁺ могут активировать RAC1 и CDC42 и инактивировать RHoA, чтобы регулировать подвижность ростового конуса. В мигрирующих фибробластах, которые подвергаются хемокинезу, TRPM7 Ca²⁺ каналы периодически открываются и запускают локальные взрывы внутриклеточного Ca²⁺ на ведущем крае. Симметричное воздействие PDGF усиливает случайную миграцию фибробластов вместе с количеством и амплитудой локальных взрывов Ca²⁺, тогда как ингибирование каналов TRPM7 предупреждает хемотаксис фибробластов в направлении PDGF. Является ли Ca²⁺ вышестоящим медиатором функции Rho-family GTPase или регулятором дополнительных сигнальных путей во время направленной миграции фибробластов⁷⁴, пока неизвестно. PI3K and RAC1 signalling at the leading edge. Неперекрываемое распределение и комбинированное действиеPI3K и липидной фосфатазы PTEN (phosphatase and tensin homologue) продуцирует phosphatidylinositol-3,4,5- trisphosphate (PtdIns(3,4,5)P) на ведущем крае во время прирожденной и направленной миграции⁷⁵. У D. discoideum, PI3K контролирует скорость генерации псевдоподий во время хемотксиса¹⁵ и может также кооперировать с др. путями, такими как передача сигналов PLA₂, чтобы запускать эффективный хемотаксис клеток^12,76. В фибробластах PtdIns(3,4,5)P³ располагается на ведущем крае во время врожденной и внешне управляемой направленной миграции клеток^77,78. Во время хемотаксиса генерация локального PtdIns(3,4,5)P₃ в ламеллиподиях может запускать полимеризацию актина и выпячивания ламеллиподий в направлении источника наводящих сигналов. RAC1 может быть ключевой мишенью для передачи сигналов PI3K на ведущем крае во время миграции⁷⁹. Ингибирование PI3K во время врожденной подвижности фибробластов частично редуцирует активность RAC1 и случайную миграцию по сравнению с непосредственной редукцией активной RAC1 с помощью small interfering RNA (siRNA)¹⁴, указывая тем самым, что др. пути могут кооперироваться, чтобы регулировать RAC1 на ведущем крае во время миграции клеток. Phospholipase D гидролизует phospholipid phosphatidylcholine, чтобы генерировать phosphatidic кислоту в ответ на фактор роста или вовлечение integrin⁸⁰. Phosphatidic кислота соединяется непосредственно с нацеленным на мемрану мотивом активной RAC1, чтобы рекрутировать её на плазматическую мембрану и тем самым способствовать миграции фибробластов^81,82. Интересно, что phospholipase D кооперирует с передачей сигналов PI3K, чтобы обеспечить активацию RAC1 во время хемотаксиса нейтрофилов⁸³; сходное взаимодействие может происходить в др. типах клеток во время прирожденной клеточной подвижности. Уровень и локализация активности RAC1 играет центральную роль в осуществлении выбора между случайной и направленной персистирующей подвижностью, хотя это взаимоотношение может быть не не универсальным⁸⁴. RAC1 высоко активна на ведущем крае во время прирожденной подвижности и уровень её активности предопределяет, происходит ли прирожденная миграция клеток случайно или направленно^14,86. Высокие уровни активности RAC1 индуцируют образование множественных lamellae, это ведет к сильно не направленной, случайной клеточной миграции. Умеренные уровни активности RAC1 поддерживают меньшее количество ламелл, и тем самым способствует направленной клеточной миграции и хемотаксису. По сравнению с клетками, мигрирующими по 2D поверхности, клетки, мигрирующие в сложных 3D условиях, обладают более низкими уровнями активности RAC1, удлиненной морфологией, меньшим количеством боковых ламелл и более быстрой и направленной миграцией^14,35,87. Повышенные уровни активности RAC1, по-видимому, увеличивают таргетинг активной RAC1 на плазматическую мембрану и образование латеральных ламеллиподий, чтобы способствовать случайной прирожденной миграции^14,88. Механистически активация RAC1 на ведущем крае может способствовать направленной клеточной миграции за счет запуска локальной полимеризации актина или образования адгезий. RAC1, как известно, запускает образование адгезивных структур в ламеллиподиях и это вносит вклад в запускаемую с помощью epidermal growth factor (EGF) подвижность клеток карциномы⁹⁰. Семейство Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASP), представлено WAVE1 (verprolin homology domain-containing protein 1; также известен как WASF1), WAVE2, WAVE3 и PAK1, связано с передачей сигналов RAC1 на мембранные ruffling и образованием ламеллиподий^91,92. Однако фибробласты, дефицитные по WAVE2 мигрируют случайно во время заживления ран и хемотаксис менее эффективен⁹³, в противовес эффектам уменьшения передачи сигналов RAC1¹⁴. Экспрессия kinase-inactive PAK1 в фибробластах усиливает случайную миграцию. Независимо от своей киназной активности, PAK1 может рекрутировать протеин киназу Akt на плазматическую мембрану, где она активируется с помощью 3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1 (PDPK1)⁹⁵ на пути, который важен для миграции эндотелиальных клеток⁹⁶. В согласии с каркасной функцией PAK1, стоящей ниже RAC1, активность Akt может компенсировать изменения в направленности миграции, вызываемые за счет уменьшения активации RAC1¹⁴. The cofilin pathway and directional migration. Локальная активность обслуживающего актин белка cofilin важна для направленной миграции. Cofilin действует на ведущем крае, обслуживая филаментозный актин на минус конце, чтобы создать больше свободных колючих концов для полимеризации актина⁹⁷. Если активность cofilin снижена в фибробластах или в результате воздействия siRNA⁹⁸ или за счет α 5β 1 integrin-запускаемого фосфорилирования cofilin по Ser14 с помощью RoCK1, клетки подвергаются повышенной случайной миграции^99,100. Однако в метастатических раковых клетках истощение cofilin ведет к более направленной персистирующей врожденной миграции в ответ на EGF¹⁰¹. Это увеличение направленной миграции ассоциирует со стабильными и устойчивыми ламеллипоидными выпячиваниями и со снижением чувствительности к точечным источникам хемоаттрактанта EGF на задней части клетки¹⁰¹. Т.о., динамика ламмелиподий, контролируемая с помощью cofilin и Arp2/3 комплекса являются критическими факторами, диктующими направление миграции этих клеток. Активность cofilin на ведущем крае также чувствительна к локальны изменениям внутриклеточного pH (pH_i). Повсеместно экспрессируемый Na⁺/H⁺ exchanger 1 (NHE1) доставляется в ламеллиподии и локально модулирует внутриклеточный pH_i, чтобы способствовать направленной миграции фибробластов при исследовании царапанных ран¹⁰². NHE1-обусловленые отрывы протонов His133 у cofilin предупреждает связывание cofilin с его негативным регулятором PtdIns-4,5-bisphosphate¹⁰³. Этот процесс может активировать cofilin на ведущем крае, чтобы способствовать направленной миграции¹⁰⁴ ECM receptors, trafficking and motility Доставка integrin и ко-рецепторов вносит вклад в функцию интегринов и образование адгезивных соединений во время миграции клеток. Доставка интегрина может вносить вклад в направленную миграцию путем облегчения образования адгезий на ведущем крае¹⁰⁵. Недавняя работа показала, что доставка интегрина и ко-рецептора syndecan 4 может вносить вкладв направленную миграцию, частично, модулируя передачу сигналов Rho GTPase, чтобы контролировать образование выпячиваний Integrin trafficking and persistent migration. Комплекс Par может вносить вклад в поляризованный трафик интегрина и формирование адгезий на ведущем крае мигрирующих клеток¹⁰⁶ (FIG. 4). PAR3 кооперирует с эдоцитотическим аппаратом путем регуляции NuMB, адаптора, которые связывает специфический груз с покрытыми клатрином ямками¹⁰⁷. NuMB управляет интернализацией субъединиц β 1 integrin или β 3 integrin позади ведущего края. PAR3 соединяется непосредственно с NuMB и способствует его фосфорилированию по Ser остаткам с помощью aPKC¹⁰⁶ (FIG. 4a). Фосфорилирование NuMB предупреждает его интеграцию сβ интегриновыми субъединицами и ингибирует интернализацию. Ингибирование или фосфорилирование или дефосфорилирование NuMB блокирует направленную миграцию, которая происходит во время заживления ран в монослое фибробластов в присутствии сыворотки. Этот механизм связывает трафик интегринов на клеточную поверхность, в аппарат поляризации на ведущем крае. Рециклинг специфических интегринов это др. процесс, который вносит вклад в направленную миграцию как в 2D, так и 3D условиях (FIG. 4b, c). Экспрессия αvβ3 integrin в раневом монослое эпителиальных клеток способствует стабильной переориентации центросом и направленной миграции, тогда как экспрессия α5β 1 integrin нет. Супрессия RHoA-RoCK1-обусловленного фосфорилирования и ингибирование cofilin с помощью αvβ 3 integrin запускает образование широких ламмелиподий, стабильных адгезий и усиливает направленность миграции. В фибробластах protein kinase D1 (PRKD1) и RAB4 (малая GTPase семейства Rab) управляют быстрым рециклингом αvβ 3 integrin из ранних эндосом на клеточную поверхность¹⁰⁸, тогда как RAB11 контролирует рециклинг α5β1 integrin посредством более длинного пути от околоядерного эндосомного компартмента. longer pathway from a perinuclear endosomal compartment¹⁰⁹. Пертурбации быстрого RAB4-зависимого рециклинга αvβ3 integrin увеличивает скорость рециклинга α5β 1 integrin и способствует случайной миграции фибробластов¹⁰⁰. Как и в эпителиальных клетках α5β 1 integrin-обеспечиваемая случайная миграция фибробластов запускается с помощью RoCK1-зависимого фосфорилирования и инактивации cofilin^99,100. 3D matrix and integrin trafficking. Число измерений матрикса влияют на RAB11-зависимый рециклингα5β1 integrin и на направленную клеточную миграцию. Ингибирование αvβ3 integrin в эпителиальной линии раковых клеток увеличивает рециклинг α5β1 integrin за счет стимуляции RAB11-обусловленного возвращения α5β1 integrin на плазматическую мембрану¹¹⁰. Это переключение в трафике интегрина коррелирует с увеличением случайной миграции фибробластов на 2D поверхности и с обеспечением направленной клеточной миграции на 3D fibronectin-содержащем Matrigel и матриксе клеточного производства. Рециклинг α5β1 integrin в эпителиальных клетках управляется с помощью специфичного для эпителия члена подсемейства RAB11, RAB25, способствуя направленной миграции этих клеток в 3D условиях без нарушения их способа миграции на 2D поверхности¹¹¹. Продуцируемый клетками матрикс увеличивает ассоциацию RAB25 с β1 integrin и ограничивает рециклинг RAB25 на кончиках выпячиваний ведущего края в созданном клетками матриксе, способствуя направленной персистирубющей миграции the cell-derived matrix to promote directionally persistent migration¹¹¹ (FIG. 4d,e). Пока ещё неизвестно, как мерность матрикса регулирует активность RAB25 или его ассоциацию с β1 integrin, но Rab-coupling protein (RCP; также известный как RAB11FIP1) обеспечивает образование состоящего из трех частей комплекса между собой, EGF receptor (EGFR) и α5β1 integrin в recycling эндосомах, чтобы повысить рециклинг α5β1 integrin и EGFR на клеточной поверхности¹¹⁰. Т.о., трафик α5β1 integrin и EGFR ко-рецептора может инициировать внутриклеточную передачу сигналов, это ведет к перестройке цитоскелета, что способствует направленной клеточной миграции. Как эти пути доставки integrin управляют миграцией клеток в ткани неясно, но разные компоненты ВКМ могут модулировать рециклинг специфических интегринов, чтобы способствовать клеточной подвижности in vitro¹¹². Syndecan 4 and directional cell migration. Трансмембранный протеогликан syndecan 4 может ощущать топограйию DRV? чтобы контролировать направленную миграцию в 3Dусловиях. Syndecan 4 кооперирует с α5β1 integrin, чтобы связать fibronectin, сформировать фокальные адгезии и поддержать миграцию клеток^113,114 за счет активации стоящей ниже RAC1 PKC⁸⁸. Syndecan 4, за счет передачи сигналов с помощью PKC, ограничивает активность RAC1 на ведущем крае фибробластов, мигрирующих на матриксе, продуцированном клетками. Соотв., делеция syndecan 4 ведет к увеличению активной RAC1 вокруг периферии клеток и к более случайной миграции на 3D матриксе, продуцированном клетками⁸⁸. Т.о., syndecan 4 ограничивает активацию RAC1, чтобы генерировать доминантные ламеллы и тем самым управлять направленной персистирующей миграцией фибробластов с ответ на линейные фибриллы в ВКМ. В отличие от PAR3 доставки TIAM1 на ведущий край, чтобы локально активировать RAC1 (REF. 64), syndecan 4 супрессирует активацию RAC1, за исключением ведущего края клетки, чтобы обеспечить направленную персистирующую миграцию. Механизм, с помощью которого syndecan 4 ограничивает активность RAC1 напоминает механизм, используемый integrin α4-paxillin-ArfGAP комплексом, чтобы ингибировать RAC1 активацию по периферии мигрирующих подобных эпителиальным CHO клеток¹¹⁵. Syndecan 4 также кооперирует с неканонической передачей сигналов Wnt, чтобы контролировать направленную миграцию клеток нервного гребня в 3D условиях во время развития^116,117. Миграция клеток нервного гребня в специфические места важна для их дифференцировки¹¹⁸. Устранение экспрессии syndecan 4 с помощью инъекции morpholino блокирует дифференцировку нервного гребня за счет уменьшения миграции нервного гребня из дорсальной части нервной трубки. In vitro культуры клеток нервного гребня, лишенных syndecan 4 испытывают повышенную случайную миграцию в результате большого количетсва случайных мембранных выпячиваний. Как и в случае эмбриональных фибробластов мыши, мигрирующих в матриксе, продуцированном клетками, передача сигналов syndecan 4 и PKC ограничивает активацию RAC1 на ведущем крае для направленной персистирующей миграции клеток нервного гребня in vitro и in vivo¹¹⁷. Нарушения функции Dishevelled снижают активность RHoA и предупреждают миграцию клеток нервного гребня из дорсальной части нервной трубки. Этот путь обеспечивает контактное ингибирование¹¹⁹, которое частично ответственно за направленную миграцию клеток нервного гребня¹²⁰. В contact-ингибированных клетках, WNT11 и Dishevelled кооперируются, чтобы запустить RHoA-зависимый коллапс выпячиваний, которые контактируют с соседними клетками нервного гребня. Т.о., взаимно исключающие зоны RAC1 и RHoA активности, которые контактируют с ВКМ и неканоническим Wnt рецептором, соотв., контролируются с помощью syndecan 4 и управляют направленной клеточной миграцией в ответ на контактное ингибирование^117,120. Steering from the back Подтаскиваемый край мигрирующей клетки вносит вклад в поддержание направленной миграции путем генерации контрактильных сил, которые толкают зад клетки вперед и ограничивают формирование выпячиваний, чтобы сохранять ориентацию миграции. RHoA активирует RoCK1, которая фосфорилирует myosin phosphatase и регулирует легкую цепь миозина II, чтобы усилить actin- myosin контрактильность¹²¹ и запустить втягивание хвоста и разборку фокальных адгезий¹²². Ингибирование RHoA с помощью активной RAC1 вносит вклад в формирование myosin-обеспечиваемой контрактильности на тыльном крае мигрирующих нейтрофилов во время хемотаксиса⁶⁰, частично за счет ограничения образования выпячиваний на заднем крае клетки¹²³. Аналогичный путь обеспечивается с помощью PTEN у D. discoideum. PTEN локализуется на заднем крае клетки, способствуя врожденной и управляемой миграции путем супрессии образования псевдоподий¹²⁴. Фибробласты обычно экспрессируют две изоформы myosin II. Дефицит Myosin IIA ведет к образованию широких ламмелиподий, усиление активации RAC1 и к случайной миграции и к дефекту ретракции хвоста^125,126. Напротив, истощение myosin IIB вызывает нестабильные выпячивания, увеличение случайной врожденной миграции и ингибированию haptotaxis¹²⁷. Myosin IIB способствует направленной миграции путем образования контрактильных актомиозиновых пучков на заднем крае клетки, это препятсвует образованию выпячиваний и тем самым способствует направленной миграции¹²⁸. Сходным образом, во время миграции эндотелиальных кончиковых клеток в 3D коллагеновом матриксе активность myosin IIB предупреждает инициацию выпячиваний вдали от ведущего края, чтобы поддержать направленную миграцию²¹ . Внутриклеточный мембранный трафик в ответ на WNT5A может быть новым механизмом для управления myosin IIB, обеспечивая ретракцию тыла клетки. mediated retraction at the rear of the cell. Увеличенная экспрессия WNT5A в клетках метастатической меланомы ассоциирует с усилением миграции и инвазивности¹²⁹. Культивируемые клетки меланомы нуждаются в WNT5A плюс в градиенте хемокина, чтобы поляризоваться и мигрировать эффективно¹³⁰. В этих условиях, WNT5A поляризует клетки, способствуя рециклингу специфических компонент мембраны, таких как melanoma cell adhesion molecule, на заднем крае клетки. В таких клетках связь адгезии с myosin IIB обеспечиваемой ретракцией может обеспечивать полярность клеточной миграции. Необходим ли WNT5A в целом для направленной клеточной миграции остается пока неясным. Conclusions Specific molecular mechanisms operate at each step of cell motility to control directional cell migration. These mechanisms are used by the cell to integrate the information provided by the topography of the ECM, the constituents of the matrix, the distribution of soluble or substrate-bound guidance cues and/or other factors. The cell integrates this array of guidance information to select a direction of migration. Although not all steps of this process are known, it is clear that Rho GTPase signalling and control of directional protrusions are crucial for directional cell migration. A morphological view of directional cell migration highlights the frequency and direction of local protrusions extending laterally away from the front– rear axis of migration as being important in determining directionality^5,15 . In other words, if the protrusions and subsequent new adhesions formed by a polarized cell are themselves directionally persistent, the cell will move in a directionally persistent manner. Processes that occur at each step of the cell motility cycle can act to regulate Rho GTPase signalling to promote stable and directionally persistent protrusions, which in turn promote directional migration. The diverse array of mechanisms that contribute to directional migration might be a reflection of the complex environments that cells must navigate. For example, axonal growth cones integrate guidance information provided by matrix components, soluble and matrix-bound guidance molecules and cell–cell contacts to arrive at the correct position in the body¹³¹. Similar complexity is seen in fibroblast-mediated wound healing¹³² and in the immune system, in which cells must often prioritize competing guidance cues¹³³. In addition, the conceptual model of a distinct steering mechanism coupled to the cell motility machinery might be oversimplified in some cases. For example, the roles of α5β1 integrin and αvβ3 integrin in directional migration suggest that the steering mechanism is embedded in the underlying motile apparatus to respond to environmental cues and trigger directional migration. Future efforts to understand the processes that drive cell migration will need to use models that recapitulate the competing guidance cues and the physically and biochemically complex environments found in vivo. Doing so should clarify whether the many molecular mechanisms that control directional migration operate in a hierarchical framework or whether they are functionally redundant, or even synergistic.

Миграция клеток важна для эмбриогенеза, иммунного надзора и заживления ран. Базовые механизмы клеточной подвижности достаточно хорошо изучены. Чтобы мигрировать эффективно, клетки д. иметь асимметричную морфологию с четко определёнными ведущим и ведомым краями. Поляризованная внутриклеточная передача сигналов ориентирует выпячивания ведущего края, интегрином обеспечиваемую адгезию с подлежащим субстратом и контракцию и отсоединение определенных регионов клетки, чтобы обеспечить целостную подвижность клетки. Последовательность этих ступеней, известных как цикл клеточной подвижности, происходит в широком наборе эпителиальных и мезенхимных клеток, которые мигрируют в разных условиях в ответ на разные факторы. Пока неясно, как эта базовая кухня подвижности купирована с регуляторным механизмом, который интегрирует средовые сигналы с поляризованными сигналами, адгезией и ремоделированием цитоскелета, чтобы обеспечить направленную постоянную миграцию.

Концептуально направленная клеточная миграция имеет два источника: внутренне присущяя клеточная направленность и внешняя регуляция. Прирожденная направленность наблюдается. когда клетки отвечают на не-направленный митогенный сигнал, такой как униформно распределенный platelet-derived growth factor (PDGF) , который запускает базовый аппарат подвижности в отсутствие какого-0либо внешнего направляющего фактора (Box 1). Случайная миграция происходит, когда клетка имеет низкую прирожденную направленность. Если митогенные стимулы присутствуют в виде внешнего градиента ил др. внешнего сигнала наведения, то управляющий или compass механизм, связанный с базовым аппаратом подвижности, отвечает на асимметричный средовой фактор. Клетка затем подвергается направленной миграции. Природа асимметричного сигнала м. часто предопределять тип направленной миграции. Клетки испытывают хемотаксис в ответ на растворимые сигналы, haptotaxis в ответ на градированную слипчивость в подлежащем субстрате или др. сигналы ведения, закрепленные во extracellular matrix (ECM), electrotaxis в ответ на электрические поля и durotaxis в ответ на механические сигналы в среде.

И прирожденная и внешне направляемая миграция может быть охарактеризована количественно по её скорости и сохранению направления. Факторы могут изменять скорость миграции путем нарушения базового механизма клеточной подвижности. Напр., ингибирование enabled/vasodilator-stimulated phosphoprotein (ENA/VASP) семейства актин-связывающих белков замедляет динамику ламеллиподий и увеличивает скорость миграции. Факторы, которые затрагивают механизм контроля, могут изменять степень сохранения направленности. Напр., если phospholipase A₂ (PLA₂ ) и phosphoinositide 3-kinase (PI3K) изоформы 1 и 2 устранить у Dictyostelium discoideum, то клетки мигрируют с почти нормальной скоростью, но они более не обеспечивают эффективный хемотаксис. Агенты, которые увеличивают случайность прирожденной миграции, часто д. снижать направленную миграцию. Напротив, факторы, которые увеличивают сохранение направленности во время врожденной подвижности, могут способствовать направленной миграции.

Недавние исследования персистенции случайной в противовес направленной миграции во время прирожденной подвижности, по-видимому, сходятся на существовании фундаментального механизма, лежащего в основе направленной миграции. Клетки приобретают направленную персистирующую миграцию за счет формирования и стабилизации богатых актином выпячиваний или ламеллиподий, которые поддерживают ориентацию ведущего края. Множественные факторы могут влиять на этот процесс, включая топографию DRV? клеточную полярность и клеточную адгезию. can influence this process, including the topography of the ECM, cell polarity and cell adhesion. Понимание того, как эти факторы интегрируются, чтобы регулировать направленную миграцию остаются невыясненными. Однако ясно, что передача внутриклеточных сигналов часто обеспечивается на ведущем крае с помощью семейства малых GTPases (Box 2), оперирующих на каждой ступени цикла клеточной подвижности, чтобы обеспечивать направленную миграцию путем регуляции образования ведущего края.

Здесь обсуждается связь между стабильностью выпячиваний на ведущем крае и направленностью клеточной миграции. Кроме того, рассматривается, как топография ECM вносит вклад в поляризацию и направленную миграцию. Наконец, исследуется, каковы молекулярные механизмы, которые управляют каждой ступенью базового цикла подвижности - поляризации, выпячиваний, динамики интегринов, контракции и отсоединения - могут регулировать направленную персистирующую миграцию (FIG. 1).

Рис. 1.

Stable protrusions guide migration

Клетки отличаются по своему уровню направленной персистирующей миграции, свойству, которое может быть выражено количественно во время хемокинеза. Новые выпячивания обычно генерируются из уже существующего ведущего края скорее, чем в др. направлениях вокруг клетки. Процесс, которые ограничивает боковые выпячивания, лежит в основе направленной миграции у фибробластов, лейкоцитов и D. discoideum. Некоторые клетки могут мигрировать без ламеллиподий, используя базирующуюся на пузырьках (bleb-based) подвижность, но роль такой миграции в случайной или направленной подвижности неясна. Из за ограничения места этот обзор сконцентрируется в основном на исследованиях подвижности мезенхимных и эпителиальных клеток. Обзоры по направленной миграции нейтрофилов и D. discoideum см. REFs 17 -19.

Локальная передача сигналов в выпячиваниях в ответ на внешние сигналы наведения может управлять образованием новых выпячиваний in vitro и in vivo. Напр., ведущий край нейронов, мигрирующих в ЦНС состоит из множественных удлиняющихся и втягиваемых веточек. Сходным образом кончики эндотелиальных клеток на растущих концах новых кровеносных сосудов имеют по нескольку выпячиваний на их ведущем крае, которые управляют их траекторией. В обоих случаях направление миграции предопределяется ориентацией наиболее стабильной ветчоки, которая регулируется с помощью внешних сигналов наведения и внутренней передачи сигналов.

ECM topography guides migration

Клеточная адгезия может управлять направленностью миграции; напр., слипчивость с подлежащим субстратом стабилизирует выпячивания ламмелиподий во время хемотаксиса и хемокинеза. Топография ВКМ также может регулировать клеточную подвижность посредством физических сигналов, которые геометрически выстраивают места адгезий, чтобы вести направленную миграцию (FIG. 2). Во время durotaxis, при котором пластичность подлежащего ВКМ влияет на скорость миграции, фибробласты мигрируют в направлении ригидной поверхности или локальной области высокого натяжения в эластичном полиакриламидном геле. Поэтому, когда клетки обследуют своё физическое окружение, они получают механическую информацию или сигналы. которые помогают установить направление миграции - напр., миграция клеток в направлении увеличивающегося адгезивного градиента ВКМ во время haptotaxis⁷.

Рис. 2.

Классические исследования взаимодействий клеток с сетью фибриллярных белков фибринового сгустка показали. что клетки могут переориентировать ВКМ, который в свою очередь может изменять морфологию и миграцию мезенхимных клеток. В этом процессе, наз. контактным ведением, физическая структура окружающего ВКМ помогает контролировать форму и миграцию клеток. Сходные эффекты топографии ВКМ обнаружены во время миграции одиночной мезенхимной клетки и эмбриогенеза. При гаструляции амфибий выровненные фибриллы ВКМ облегчают миграцию мезодермальных клеток в направлении анимального полюса. Выравнивание фибриллярного матрикса in vitro может контролировать миграцию, это согласуется с ролью ориентации ВКМ в обеспечении направленной миграции этих клеток in vivo^28,29

Surface topography influences polarity and migration. 'Natural' клетками создаваемые условия содержат множественные компоненты, включая др. молекулы, помимо ориентированных фибрилл DRV, которые могут влиять на направленность (напр.. факторы роста, связанные с ВКМ). Поэтому некоторые биоэнергетические исследования тестировали эффекты физических паттернов из бороздок или гравировок в органическом субстрате. Мезенхимные клетки рыб, эксплантированные на параллельные бороздки в кварце, покрытом только денатурированным type I коллагеном, удлинялись, поляризовались и мигрировали вдоль продольных осей борозд. Этот поляризующий эффект топографических паттернов наблюдался для широкого круга типов клеток, включая олигодендроциты³¹, нейроны гиппокампа³² и эпителиальные клетки³³. Тесты нанотопографических паттернов показали. что фибробласты могут реагировать на паттерн борозд с глубиной и шириной в 35 nm и 100 nm, соотв., это соответствует ширине одиночной фибриллы коллагена (~30-100 nm). Эти исследования показали, что взаимодействия клеток с физическими структурами могут индуцировать реакции и передачу сигналов независимо от химических факторов, чтобы способствовать направленной миграции with physical structures can induce responses and signalling independently of chemical factors to promote directional migration.

3D ECM structures promote directional migration. Миграция клеток и регуляция направленной персистирующей миграции изучали прежде всего in vitro на двумерных поверхностях. Однако трехмерность может существенно влиять на морфологию, передачу сигналов и миграцию фибробластов³⁵. Одиночные мигрирующие фибробласты в 3D матриксе, продуцируемом клетками, часто обнаруживают веретенообразную и одно-осевую морфологию^24,25 (FIG. 2b). Механическое уплощение 3D продуцируемых клетками матриксов или покрытие 2D поверхностей растворимыми молекулами 3D матриква воспроизводит простой 2D субстрат с соотв. морфологией клеток, адгезией и случайной миграцией. Интересно, что веретеноподобная одноосевая морфология клеток в 3D матриксе может быть индуцирована с помощью прослаивания (sandwiching) фибробластов между двумя 2D эластичными полиакриламидными гелями, покрытыми коллагеном³⁶. Эти результаты показали, что число измерений или, по крайней мере, контакты досального и вентрального матрикса, могут помочь регулировать форму и способ миграции фибробластов. Необходимо отметить, что реакция клеток на фибриллярные 3D структуры может быть клеточно-специфичной и зависеть от способа миграции клеток (т.е. одиночные клетки или слои). Далее амёбоидные клетки, которые подвергаются integrin-независимой миграции, могут реагировать только на физические ограничения ВКМ скорее, чем фибриллярные структуры ВКМ³⁷.

Рис. 3.

1D topography underlies migration on 3D fibrils. Тканевое и ВКМ окружение клеток может отличаться в отношении ориентации ВКМ; напр., определенные фибробласты человека могут продуцировать сильно ориентированные 3D матриксы³⁸, тогда как др. матриксы обнаруживают незначительную ориентацию. Миграция клеток вдоль сильно ориентированного матрикса является направленной и быстрой³⁹, со многими клетками 'выстроившимися в поток' одна за др. вдоль фибрилл фибронектина (A.D.D., un published observations). Эти ориентированные фибриллы матрикса могут воспроизводиться одиночной 1.5 µm линией, генерируемой с помощью micro-photoablation и покрытой матриксом. Эти в основном 1D фибриллы также заставляют клетки принимать одноосевую морфологию с одиночной ламеллой³⁹ (FIG. 2b). Миграция вдоль 1D паттернов быстрая (>1.5-раза выше, чем на 2D поверхности), однонаправленная и сильно упорядоченная (как показывают скоординированные циклы выпячивание-ретракция) и не зависит от плотности лиганда. Эти свойства соответствуют таковым клеток, мигрирующих через ориентированный 3D продуцируемый клетками матрикс.

Др. сходства между 1D и ориентированными 3D моделями, которые не имеют сходства с 2D моделями, включают характерную локализацию ключевых адгезивных компонентов (α5 integrin и активированный β 1 integrin), присутствие стабилизированного Glu-tubulin в аксон-подобный паттерн, ориентация в сторону тыла аппарата Гольджи и центросом (оба из них стремятся в направлении ведущего края в 2D моделях заживления ран (see below)) и чувствительность миграции клеток к ингибированию клеточной контрактильности и нарушению микрорубочек. Поэтому ассоциации клеток с фибриллярными структурами, по-видимому, предоставляют важные физические сигналы, чтобы инициировать клеточную поляризацию за счет регулирования формы клеток и ориентации клеточных органелл, сто приводит в результате к однонаправленной миграции клеток (FIG. 2a).

Nanofibre topography can guide cell migration in vivo. Фибриллярные топографические сигналы в форме 1D нанофибрилл могут направлять рост аксонов и миграцию глиальных клеток in vivo^40,41 . После повреждений спинного мозга, неспособность к регенерации аксонов ведет к параличу. Эта клиническая проблема частично обусловлена неспособностью аксонов пересекать ткань рубца, которая генерируется локально глиальными клетками, проникающими в рану и физически блокирующие регенерацию аксонов⁴¹. Непосредственно после повреждения спинного мозга у животных моделей введение пептидов амфифильных молекул, которые способны к самосборке, редуцирует образование глиального шва и способствует росту двигательных и чувствительных нейронов через область раны. Хотя необходимы еще множественные исследования, чтобы понять, как топографические физические сигналы участвуют в направленной миграции in vivo, ясно, что ассоциация клеток с ВКМ, имеющая определенную структуру, или 2D поверхность, 3D матрикс или 1D линию, может строго влиять на клеточную полярность, морфологию и миграцию.

Topography of ECM fibrils and cancer invasion. Клеточная миграция может быть сегодня изучена in vivo, используя новые подходы. Напр., изучение in vivo эксплантов при анализе метастазов рака груди выявило, что метастатические опухолевые клетки и макрофаги мигрируют быстро вдоль коллагеновых волокон. Высоко инвазивные опухолевые клетки мигрируют преимущественно вдоль волокон. Сетчатая ориентация коллагенового матрикса, который окружает молочные железы, может закрепить и/или ограничить клетки⁴³. Однако, плотный фиброзный коллаген, который характерен для стромы рака груди, формирует радиальный паттерн, который распространяется прочь от опухоли (FIG. 2c). In vitro эксперименты показывают, что параллельные коллагеновые волокна, которые отходят от опухолевых эксплантов, могут способствовать инвазии опухолевых эпителиальных клеток, тогда как нелинейный матрикс снижает инвазивное поведение⁴⁴. Опухолевые клетки ремоделируют матрикс в такие параллельные волокна, чтобы мигрировать. Эти данные указывают на то, что ориентированные ВКМ играют частично роль в направлении миграции и инвазии in vivo. Понимание этих механизмов может предоставить наилучшую модель ракового метастазирования и процессов развития.

Connecting topography to directional migration. Важно определить, как топография ВКМ связана с внутриклеточной передачей сигналов, чтобы способствовать направленной клеточной миграции. Integrin рецепторы и физическое расположение адгезий может запускать ориентацию цитоскелета, что способствует направленной клеточной миграции. Напротив, специфическая топография матрикса может влиять на клеточную полярность или доставку integrin (see below). Хотя ориентация матрикса может стабилизировать выпячивания ведущего края, способствуя тем самым направленной персистирующей миграции, специфические сигнальные пути ещё предстоит определить.

Polarity and directional migration

Клетки содержат аппарат передачи сигналов полярности, которые могут влиять на направленную подвижность клеток. Такая поляризация влияет на формирование ведущего и ведомого клеточных краёв. Комплекс Par (partitioning defective) , состоящий из PAR3, PAR6 и atypical protein kinase C (aPKC), соединяет передачу сигналов Rho GTPase, переориентацию центросом, стабилизацию микротрубочек и направленную мембранную миграцию, чтобы регулировать постоянство направления во время прирожденной клеточной миграции (FIG. 3). Активация Par поляризует широкий круг клеточных процессов, включая формирование оси фронт-тыл в мигрирующих клетках, а также симметричность клеточных делений и базально-апикальную полярность эпителиальных клеток. Стабильность оси фронт-тыл коррелирует со степенью персистенции направленного клеточного движения⁴⁶.

Рис. 4.

Член семейства Rho GTPase CDC42 является мастером регулятором поляризации клеток, которая влияет на направленную миграцию⁴⁷. Использование интегрина компонентами ВКМ может локально активировать CDC42 в субрегионах плазматической мембраны⁴⁸. Активный CDC42 затем рекрутирует Par комплекс на плазматическую мембрану, где активируется aPKC⁴⁸. Активность CDC42 может также быть регулируемой на ведущем крае мигрирующих клеток с помощью фосфопротеина NuDEL (также известного как NDEL1)⁴⁹. NuDEL фосфорилируется с помощью Ser/Thr kinase extracellular signal regulated kinase (ERK) на ведущем крае, чтобы локально секвестрировать CDC42 GTPase-activating protein (CDC42GAP; также известный как ARHGAP1). Эта секвестрация может удержать CDC42GAP от локального подавления активности CDC42 и может вносить вклад в CDC42-зависимую активацию комплекса Par, чтобы запускать образование поляризованных выпячиваний и направленную персистирующую клеточную миграцию⁴⁹.

CDC42 может способствовать направленной клеточной подвижности фибробластов в испытаниях заживления ран от царапин in vitro , т.к. клетки мигрируют в область обнаженных клеток^50,51. Следует предостеречь, однако, такие не эпителиальные монослои редки in vivo. CDC42 активирует p21-activated kinase 1 (PAK1), которая рекрутирует RAC1 guanine nucleotide exchange factor (GEF) β PIX (также известный как ARHGEF7) на ведущий край, где он может локально активировать RAC1, чтобы инициировать выпячивания и направленную миграцию⁵². PAR6 и aPKC действуют иерархически ниже CDC42, чтобы стабилизировать микротрубочки на ведущем крае, тогда как dynein мотор одновременно действует, чтобы удерживать центросомы в соотв. положении, приводя в результате к финальному расположению ядра, центросом и ведущего края вдоль оси фронт-тыл⁵⁰ в 2D клеточной культуре. Связывающие микротрубочки белки на ведущем крае тем самым способствуют локальным выпячиваниям и направленной миграции путем регулирования образования адгезий и, способствуя антероградному транспорту материала из Гольджи на активный ведущий край, чтобы пополнять материал, удаляемый комбинации выпячиваний и ретроградного тока актина^{54, 55}. Во время этого процесса, CDC42 запускает ретроградный ток актомиозина посредством его нижестоящего эффектора, myotonic dystrophy kinase related CDC42-binding kinase (MRCK; также известной как CDC42BPA), в комплексе с myosin 18A и leucine repeat adaptor protein LRAP35A^{50, 56}. CDC42 регулируемый ретроградный ток actomyosin перемещает ядро в тыл клетки.

Wnt signalling and directional migration. Дополнительные пути могут кооперироваться с CDC42 и Par комплексом, чтобы способствовать направленной миграции. Wnts являются семейством секретируемых белков, которые регулируют клеточную судьбу и формирование тканевого паттерна. Передача сигналов Wnt классически вносит вклад в поляризацию ткани в развивающихся эмбрионах и, как недавно было показано, вносит вклад в полярность клеток и направленную подвижность. Белки Wnt регулируют экспрессию генов посредством канонического пути или регулируют динамику цитоскелета и поляризацию клеток посредством не канонического пути(Box 3). WNT5A запускает не каноническую передачу сигналов Wnt и клеточную подвижность путем соединения с рецептором Frizzled и альтернативным рецептором или ко-рецептором RoR2, рецепторной Tyr киназой⁵⁷. В монослоях фибробластов с царапанной раной соединение WNT5A с Frizzled рецепторами вызывает цитозольный медиатор, Dishevelled чтобы запустить переориентацию Golgi и центросом посредством опухоль-супрессрующего белка adenomatous polyposis coli (APC) и в кооперации с путем CDC42-Par-aPKC⁵⁸, чтобы стабилизировать вновь формируемые микротрубочки в направлении вновь формируемого ведущего края. Важно, что использование RoR2 с помощью WNT5A необходимо для направленной миграции фибробластов во время заживления ран царапин в присутствии WNT5A и для хемотаксиса в направлении источника WNT5A^57,59.

Regulation of Rho GTPases by the Par complex. Помимо образования оси фронт-тыл, которая важна для направленной клеточной миграции , комплекс Par является фокальной точкой для взаимодействия между малыми GTPases CDC42, RAC1 и RHoA. RAC1 и CDC42 могут способствовать активности RHoA на тыльной стороне клетки с целью образования ведущего и подтягиваемого края, что необходимо для эффективной миграции клеток^60,61. Это взаимодействие может также происходить по фронту клетки, чтобы координировать адгезию, выпячивания и ретракцию ведущего края⁶². Т.о., Par-обеспечиваемое взаимодействие между из Rho семейства GTPases может быть критическим фактором, который регулирует клеточную морфологию и миграцию.

Помимо рекрутирования β PIX, CDC42 может активировать RAC1 на ведущем крае посредством Par комплекса. В клетках нейробластомы активный CDC42 соединяется с Par комплексом и помогает рекрутировать GEF T-lymphoma invasion and metastasis-inducing protein 1 (TIAM1) на едущий край, где он локально активирует RAC1 (REF. 63). Сходным образом TIAM1 доставляется на ведущий край за счет непосредственного соединения с PAR3 в эпителиальных клетках. Истощение или TIAM1 или PAR3 снижает поляризацию фрон-тыл, увеличивает случайность клеточной миграции и снижает чувствительность клеток к хемотактическим сигналам^64,65. Активная Rho-associated protein kinase 1 (RoCK1), которая находится ниже GTP-связанной RHoA, может противодействовать активации RAC1 на ведущем крае путём фосфорилирования PAR3 и разрушающего комплекса, так что предупреждается активация RAC1 с помощью TIAM1⁶⁵. Такое фосфорилирование PAR3 на ведущем крае необходимо для поляризации и направленной клеточной миграции⁶⁵. Путём доставки TIAM1 во фронт клетки PAR3 способствует стабилизации микротрубочек м образованию ламеллиподий, чтобы обеспечить направленную персистирующую миграцию для врожденной и внешне направляемой клеточной подвижности. Хотя точная связь между TIAM1 и локальной стабилизацией микротрубочек ещё не установлена, белок, связывающий плюс-концы микротрубочек, cytoplasmic linker- associated protein 2 (CLASP2) обеспечивает стабильную ассоциацию микротрубочек с клеточным кортексом на ведущем крае⁶⁶. Как и в случае PAR3 и TIAM1, истощение CLASP2 уменьшает количества стабильных микротрубочек и увеличивает случайную подвижность. Хотя снижение активности RAC1 в фибробластах ведет к направленной персистирующей миграции¹⁴, потеря TIAM1 в кератиноцитах ведет к снижению общей активности RAC1, это усиливает случайную миграцию⁶⁴. Соответственно, локальное ограничение активной RAC1 ведущим краем за счет комбинированного действия PAR3 и TIAM1 может быть ключевым фактором, способствующим направленной персистирующей подвижности. В фибробластах, однако, TIAM1-обеспечиваемая активация RAC1, ассоциирует с усилением межклеточных взаимодействий и потерей клеточной подвижности. Эти расхождения указывают на то, что функция специфических GEFs может заисеть от контекста⁶¹.

Caveolin 1, принципиальный компонент caveolae, может действовать параллельно с Par комплексом и вносить вклад в полярность и направленную миграцию⁶⁷. Направленная миграция как при заживлении ран, так и при хемотаксисе нуждается в фосфорилировании caveolin 1. Дефицит caveolin 1 снижает активность RHoA и увеличивает уровни активных RAC1 и CDC42 (REF. 68). Эти уровни повышенной активности в эмбриональных фибробластах мыши ассоциируют с быстрым оборотом зарождающихся адгезий и увеличивают случайные выпячивания⁶⁸. Эмбриональные фибробласты мыши обнаруживают нарушение направленной миграции клеток во время заживления ран, это согласуется с глобальным увеличением активности RAC1. SRC kinase-обеспечиваемая активация p190RhoGAP (также известного как GRLF1) в этих клетках может вносить вклад в ингибирование активности RHoA и снижение направленной миграции. Альтернативно, удаление caveolin 1 может способствовать активности RAC1 и увеличивать случайность миграции за счет снижения интернализации RAC1-связывающих сайтов с плазматической мембраны⁶⁹. Итак, эти находки согласуются с мнением, что взаимный антагонизм между активностью RAC1 и RHoA, который координируется с помощью Par комплекса и caveolin 1, может быть важен для направленной персистирующей миграции

Protrusion and directional migration

Основными факторами, которые определяют ориентацию клеточной миграции, являются частота и направленность локальных ламмелиподиальных выпячиваний, которые распространяются вбок от основной продольной оси клетки^5,15. Внутриклеточные сигнальные пути на ведущем крае, которые регулируют ремоделирование актинового цитоскелета или образование адгезий или стабилизируют локальные выпячивания, скорее всего вносят вклад в направленную миграцию⁶.

Ca²⁺ regulation of the leading edge. Локальные изменения в концентрации внутриклеточного Ca регулируют направленную клеточную миграцию. Временное, пространственно ограниченное увеличение Ca²⁺ ведет ростовой конус миграции во время haptotaxis⁷⁰ и chemotaxis⁷¹. Локальные колебания внутриклеточного Ca²⁺ могут активировать RAC1 и CDC42 и инактивировать RHoA, чтобы регулировать подвижность ростового конуса. В мигрирующих фибробластах, которые подвергаются хемокинезу, TRPM7 Ca²⁺ каналы периодически открываются и запускают локальные взрывы внутриклеточного Ca²⁺ на ведущем крае. Симметричное воздействие PDGF усиливает случайную миграцию фибробластов вместе с количеством и амплитудой локальных взрывов Ca²⁺, тогда как ингибирование каналов TRPM7 предупреждает хемотаксис фибробластов в направлении PDGF. Является ли Ca²⁺ вышестоящим медиатором функции Rho-family GTPase или регулятором дополнительных сигнальных путей во время направленной миграции фибробластов⁷⁴, пока неизвестно.

PI3K and RAC1 signalling at the leading edge. Неперекрываемое распределение и комбинированное действиеPI3K и липидной фосфатазы PTEN (phosphatase and tensin homologue) продуцирует phosphatidylinositol-3,4,5- trisphosphate (PtdIns(3,4,5)P) на ведущем крае во время прирожденной и направленной миграции⁷⁵. У D. discoideum, PI3K контролирует скорость генерации псевдоподий во время хемотксиса¹⁵ и может также кооперировать с др. путями, такими как передача сигналов PLA₂, чтобы запускать эффективный хемотаксис клеток^12,76. В фибробластах PtdIns(3,4,5)P³ располагается на ведущем крае во время врожденной и внешне управляемой направленной миграции клеток^77,78. Во время хемотаксиса генерация локального PtdIns(3,4,5)P₃ в ламеллиподиях может запускать полимеризацию актина и выпячивания ламеллиподий в направлении источника наводящих сигналов.

RAC1 может быть ключевой мишенью для передачи сигналов PI3K на ведущем крае во время миграции⁷⁹. Ингибирование PI3K во время врожденной подвижности фибробластов частично редуцирует активность RAC1 и случайную миграцию по сравнению с непосредственной редукцией активной RAC1 с помощью small interfering RNA (siRNA)¹⁴, указывая тем самым, что др. пути могут кооперироваться, чтобы регулировать RAC1 на ведущем крае во время миграции клеток. Phospholipase D гидролизует phospholipid phosphatidylcholine, чтобы генерировать phosphatidic кислоту в ответ на фактор роста или вовлечение integrin⁸⁰. Phosphatidic кислота соединяется непосредственно с нацеленным на мемрану мотивом активной RAC1, чтобы рекрутировать её на плазматическую мембрану и тем самым способствовать миграции фибробластов^81,82. Интересно, что phospholipase D кооперирует с передачей сигналов PI3K, чтобы обеспечить активацию RAC1 во время хемотаксиса нейтрофилов⁸³; сходное взаимодействие может происходить в др. типах клеток во время прирожденной клеточной подвижности.

Уровень и локализация активности RAC1 играет центральную роль в осуществлении выбора между случайной и направленной персистирующей подвижностью, хотя это взаимоотношение может быть не не универсальным⁸⁴. RAC1 высоко активна на ведущем крае во время прирожденной подвижности и уровень её активности предопределяет, происходит ли прирожденная миграция клеток случайно или направленно^14,86. Высокие уровни активности RAC1 индуцируют образование множественных lamellae, это ведет к сильно не направленной, случайной клеточной миграции. Умеренные уровни активности RAC1 поддерживают меньшее количество ламелл, и тем самым способствует направленной клеточной миграции и хемотаксису. По сравнению с клетками, мигрирующими по 2D поверхности, клетки, мигрирующие в сложных 3D условиях, обладают более низкими уровнями активности RAC1, удлиненной морфологией, меньшим количеством боковых ламелл и более быстрой и направленной миграцией^14,35,87. Повышенные уровни активности RAC1, по-видимому, увеличивают таргетинг активной RAC1 на плазматическую мембрану и образование латеральных ламеллиподий, чтобы способствовать случайной прирожденной миграции^14,88.

Механистически активация RAC1 на ведущем крае может способствовать направленной клеточной миграции за счет запуска локальной полимеризации актина или образования адгезий. RAC1, как известно, запускает образование адгезивных структур в ламеллиподиях и это вносит вклад в запускаемую с помощью epidermal growth factor (EGF) подвижность клеток карциномы⁹⁰. Семейство Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASP), представлено WAVE1 (verprolin homology domain-containing protein 1; также известен как WASF1), WAVE2, WAVE3 и PAK1, связано с передачей сигналов RAC1 на мембранные ruffling и образованием ламеллиподий^91,92. Однако фибробласты, дефицитные по WAVE2 мигрируют случайно во время заживления ран и хемотаксис менее эффективен⁹³, в противовес эффектам уменьшения передачи сигналов RAC1¹⁴. Экспрессия kinase-inactive PAK1 в фибробластах усиливает случайную миграцию. Независимо от своей киназной активности, PAK1 может рекрутировать протеин киназу Akt на плазматическую мембрану, где она активируется с помощью 3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1 (PDPK1)⁹⁵ на пути, который важен для миграции эндотелиальных клеток⁹⁶. В согласии с каркасной функцией PAK1, стоящей ниже RAC1, активность Akt может компенсировать изменения в направленности миграции, вызываемые за счет уменьшения активации RAC1¹⁴.

The cofilin pathway and directional migration. Локальная активность обслуживающего актин белка cofilin важна для направленной миграции. Cofilin действует на ведущем крае, обслуживая филаментозный актин на минус конце, чтобы создать больше свободных колючих концов для полимеризации актина⁹⁷. Если активность cofilin снижена в фибробластах или в результате воздействия siRNA⁹⁸ или за счет α 5β 1 integrin-запускаемого фосфорилирования cofilin по Ser14 с помощью RoCK1, клетки подвергаются повышенной случайной миграции^99,100. Однако в метастатических раковых клетках истощение cofilin ведет к более направленной персистирующей врожденной миграции в ответ на EGF¹⁰¹. Это увеличение направленной миграции ассоциирует со стабильными и устойчивыми ламеллипоидными выпячиваниями и со снижением чувствительности к точечным источникам хемоаттрактанта EGF на задней части клетки¹⁰¹. Т.о., динамика ламмелиподий, контролируемая с помощью cofilin и Arp2/3 комплекса являются критическими факторами, диктующими направление миграции этих клеток.

Активность cofilin на ведущем крае также чувствительна к локальны изменениям внутриклеточного pH (pH_i). Повсеместно экспрессируемый Na⁺/H⁺ exchanger 1 (NHE1) доставляется в ламеллиподии и локально модулирует внутриклеточный pH_i, чтобы способствовать направленной миграции фибробластов при исследовании царапанных ран¹⁰². NHE1-обусловленые отрывы протонов His133 у cofilin предупреждает связывание cofilin с его негативным регулятором PtdIns-4,5-bisphosphate¹⁰³. Этот процесс может активировать cofilin на ведущем крае, чтобы способствовать направленной миграции¹⁰⁴

ECM receptors, trafficking and motility

Доставка integrin и ко-рецепторов вносит вклад в функцию интегринов и образование адгезивных соединений во время миграции клеток. Доставка интегрина может вносить вклад в направленную миграцию путем облегчения образования адгезий на ведущем крае¹⁰⁵. Недавняя работа показала, что доставка интегрина и ко-рецептора syndecan 4 может вносить вкладв направленную миграцию, частично, модулируя передачу сигналов Rho GTPase, чтобы контролировать образование выпячиваний

Integrin trafficking and persistent migration. Комплекс Par может вносить вклад в поляризованный трафик интегрина и формирование адгезий на ведущем крае мигрирующих клеток¹⁰⁶ (FIG. 4). PAR3 кооперирует с эдоцитотическим аппаратом путем регуляции NuMB, адаптора, которые связывает специфический груз с покрытыми клатрином ямками¹⁰⁷. NuMB управляет интернализацией субъединиц β 1 integrin или β 3 integrin позади ведущего края. PAR3 соединяется непосредственно с NuMB и способствует его фосфорилированию по Ser остаткам с помощью aPKC¹⁰⁶ (FIG. 4a). Фосфорилирование NuMB предупреждает его интеграцию сβ интегриновыми субъединицами и ингибирует интернализацию. Ингибирование или фосфорилирование или дефосфорилирование NuMB блокирует направленную миграцию, которая происходит во время заживления ран в монослое фибробластов в присутствии сыворотки. Этот механизм связывает трафик интегринов на клеточную поверхность, в аппарат поляризации на ведущем крае.

Рециклинг специфических интегринов это др. процесс, который вносит вклад в направленную миграцию как в 2D, так и 3D условиях (FIG. 4b, c). Экспрессия αvβ3 integrin в раневом монослое эпителиальных клеток способствует стабильной переориентации центросом и направленной миграции, тогда как экспрессия α5β 1 integrin нет. Супрессия RHoA-RoCK1-обусловленного фосфорилирования и ингибирование cofilin с помощью αvβ 3 integrin запускает образование широких ламмелиподий, стабильных адгезий и усиливает направленность миграции. В фибробластах protein kinase D1 (PRKD1) и RAB4 (малая GTPase семейства Rab) управляют быстрым рециклингом αvβ 3 integrin из ранних эндосом на клеточную поверхность¹⁰⁸, тогда как RAB11 контролирует рециклинг α5β1 integrin посредством более длинного пути от околоядерного эндосомного компартмента. longer pathway from a perinuclear endosomal compartment¹⁰⁹. Пертурбации быстрого RAB4-зависимого рециклинга αvβ3 integrin увеличивает скорость рециклинга α5β 1 integrin и способствует случайной миграции фибробластов¹⁰⁰. Как и в эпителиальных клетках α5β 1 integrin-обеспечиваемая случайная миграция фибробластов запускается с помощью RoCK1-зависимого фосфорилирования и инактивации cofilin^99,100.

3D matrix and integrin trafficking. Число измерений матрикса влияют на RAB11-зависимый рециклингα5β1 integrin и на направленную клеточную миграцию. Ингибирование αvβ3 integrin в эпителиальной линии раковых клеток увеличивает рециклинг α5β1 integrin за счет стимуляции RAB11-обусловленного возвращения α5β1 integrin на плазматическую мембрану¹¹⁰. Это переключение в трафике интегрина коррелирует с увеличением случайной миграции фибробластов на 2D поверхности и с обеспечением направленной клеточной миграции на 3D fibronectin-содержащем Matrigel и матриксе клеточного производства. Рециклинг α5β1 integrin в эпителиальных клетках управляется с помощью специфичного для эпителия члена подсемейства RAB11, RAB25, способствуя направленной миграции этих клеток в 3D условиях без нарушения их способа миграции на 2D поверхности¹¹¹. Продуцируемый клетками матрикс увеличивает ассоциацию RAB25 с β1 integrin и ограничивает рециклинг RAB25 на кончиках выпячиваний ведущего края в созданном клетками матриксе, способствуя направленной персистирубющей миграции the cell-derived matrix to promote directionally persistent migration¹¹¹ (FIG. 4d,e). Пока ещё неизвестно, как мерность матрикса регулирует активность RAB25 или его ассоциацию с β1 integrin, но Rab-coupling protein (RCP; также известный как RAB11FIP1) обеспечивает образование состоящего из трех частей комплекса между собой, EGF receptor (EGFR) и α5β1 integrin в recycling эндосомах, чтобы повысить рециклинг α5β1 integrin и EGFR на клеточной поверхности¹¹⁰. Т.о., трафик α5β1 integrin и EGFR ко-рецептора может инициировать внутриклеточную передачу сигналов, это ведет к перестройке цитоскелета, что способствует направленной клеточной миграции. Как эти пути доставки integrin управляют миграцией клеток в ткани неясно, но разные компоненты ВКМ могут модулировать рециклинг специфических интегринов, чтобы способствовать клеточной подвижности in vitro¹¹².

Syndecan 4 and directional cell migration. Трансмембранный протеогликан syndecan 4 может ощущать топограйию DRV? чтобы контролировать направленную миграцию в 3Dусловиях. Syndecan 4 кооперирует с α5β1 integrin, чтобы связать fibronectin, сформировать фокальные адгезии и поддержать миграцию клеток^113,114 за счет активации стоящей ниже RAC1 PKC⁸⁸. Syndecan 4, за счет передачи сигналов с помощью PKC, ограничивает активность RAC1 на ведущем крае фибробластов, мигрирующих на матриксе, продуцированном клетками. Соотв., делеция syndecan 4 ведет к увеличению активной RAC1 вокруг периферии клеток и к более случайной миграции на 3D матриксе, продуцированном клетками⁸⁸. Т.о., syndecan 4 ограничивает активацию RAC1, чтобы генерировать доминантные ламеллы и тем самым управлять направленной персистирующей миграцией фибробластов с ответ на линейные фибриллы в ВКМ. В отличие от PAR3 доставки TIAM1 на ведущий край, чтобы локально активировать RAC1 (REF. 64), syndecan 4 супрессирует активацию RAC1, за исключением ведущего края клетки, чтобы обеспечить направленную персистирующую миграцию. Механизм, с помощью которого syndecan 4 ограничивает активность RAC1 напоминает механизм, используемый integrin α4-paxillin-ArfGAP комплексом, чтобы ингибировать RAC1 активацию по периферии мигрирующих подобных эпителиальным CHO клеток¹¹⁵.

Syndecan 4 также кооперирует с неканонической передачей сигналов Wnt, чтобы контролировать направленную миграцию клеток нервного гребня в 3D условиях во время развития^116,117. Миграция клеток нервного гребня в специфические места важна для их дифференцировки¹¹⁸. Устранение экспрессии syndecan 4 с помощью инъекции morpholino блокирует дифференцировку нервного гребня за счет уменьшения миграции нервного гребня из дорсальной части нервной трубки. In vitro культуры клеток нервного гребня, лишенных syndecan 4 испытывают повышенную случайную миграцию в результате большого количетсва случайных мембранных выпячиваний. Как и в случае эмбриональных фибробластов мыши, мигрирующих в матриксе, продуцированном клетками, передача сигналов syndecan 4 и PKC ограничивает активацию RAC1 на ведущем крае для направленной персистирующей миграции клеток нервного гребня in vitro и in vivo¹¹⁷. Нарушения функции Dishevelled снижают активность RHoA и предупреждают миграцию клеток нервного гребня из дорсальной части нервной трубки. Этот путь обеспечивает контактное ингибирование¹¹⁹, которое частично ответственно за направленную миграцию клеток нервного гребня¹²⁰. В contact-ингибированных клетках, WNT11 и Dishevelled кооперируются, чтобы запустить RHoA-зависимый коллапс выпячиваний, которые контактируют с соседними клетками нервного гребня. Т.о., взаимно исключающие зоны RAC1 и RHoA активности, которые контактируют с ВКМ и неканоническим Wnt рецептором, соотв., контролируются с помощью syndecan 4 и управляют направленной клеточной миграцией в ответ на контактное ингибирование^117,120.

Steering from the back

Подтаскиваемый край мигрирующей клетки вносит вклад в поддержание направленной миграции путем генерации контрактильных сил, которые толкают зад клетки вперед и ограничивают формирование выпячиваний, чтобы сохранять ориентацию миграции. RHoA активирует RoCK1, которая фосфорилирует myosin phosphatase и регулирует легкую цепь миозина II, чтобы усилить actin- myosin контрактильность¹²¹ и запустить втягивание хвоста и разборку фокальных адгезий¹²². Ингибирование RHoA с помощью активной RAC1 вносит вклад в формирование myosin-обеспечиваемой контрактильности на тыльном крае мигрирующих нейтрофилов во время хемотаксиса⁶⁰, частично за счет ограничения образования выпячиваний на заднем крае клетки¹²³. Аналогичный путь обеспечивается с помощью PTEN у D. discoideum. PTEN локализуется на заднем крае клетки, способствуя врожденной и управляемой миграции путем супрессии образования псевдоподий¹²⁴. Фибробласты обычно экспрессируют две изоформы myosin II. Дефицит Myosin IIA ведет к образованию широких ламмелиподий, усиление активации RAC1 и к случайной миграции и к дефекту ретракции хвоста^125,126. Напротив, истощение myosin IIB вызывает нестабильные выпячивания, увеличение случайной врожденной миграции и ингибированию haptotaxis¹²⁷. Myosin IIB способствует направленной миграции путем образования контрактильных актомиозиновых пучков на заднем крае клетки, это препятсвует образованию выпячиваний и тем самым способствует направленной миграции¹²⁸. Сходным образом, во время миграции эндотелиальных кончиковых клеток в 3D коллагеновом матриксе активность myosin IIB предупреждает инициацию выпячиваний вдали от ведущего края, чтобы поддержать направленную миграцию²¹ .

Внутриклеточный мембранный трафик в ответ на WNT5A может быть новым механизмом для управления myosin IIB, обеспечивая ретракцию тыла клетки. mediated retraction at the rear of the cell. Увеличенная экспрессия WNT5A в клетках метастатической меланомы ассоциирует с усилением миграции и инвазивности¹²⁹. Культивируемые клетки меланомы нуждаются в WNT5A плюс в градиенте хемокина, чтобы поляризоваться и мигрировать эффективно¹³⁰. В этих условиях, WNT5A поляризует клетки, способствуя рециклингу специфических компонент мембраны, таких как melanoma cell adhesion molecule, на заднем крае клетки. В таких клетках связь адгезии с myosin IIB обеспечиваемой ретракцией может обеспечивать полярность клеточной миграции. Необходим ли WNT5A в целом для направленной клеточной миграции остается пока неясным.

Conclusions

Specific molecular mechanisms operate at each step of cell motility to control directional cell migration. These mechanisms are used by the cell to integrate the information provided by the topography of the ECM, the constituents of the matrix, the distribution of soluble or substrate-bound guidance cues and/or other factors. The cell integrates this array of guidance information to select a direction of migration. Although not all steps of this process are known, it is clear that Rho GTPase signalling and control of directional protrusions are crucial for directional cell migration. A morphological view of directional cell migration highlights the frequency and direction of local protrusions extending laterally away from the front– rear axis of migration as being important in determining directionality^5,15 . In other words, if the protrusions and subsequent new adhesions formed by a polarized cell are themselves directionally persistent, the cell will move in a directionally persistent manner. Processes that occur at each step of the cell motility cycle can act to regulate Rho GTPase signalling to promote stable and directionally persistent protrusions, which in turn promote directional migration.

The diverse array of mechanisms that contribute to directional migration might be a reflection of the complex environments that cells must navigate. For example, axonal growth cones integrate guidance information provided by matrix components, soluble and matrix-bound guidance molecules and cell–cell contacts to arrive at the correct position in the body¹³¹. Similar complexity is seen in fibroblast-mediated wound healing¹³² and in the immune system, in which cells must often prioritize competing guidance cues¹³³. In addition, the conceptual model of a distinct steering mechanism coupled to the cell motility machinery might be oversimplified in some cases. For example, the roles of α5β1 integrin and αvβ3 integrin in directional migration suggest that the steering mechanism is embedded in the underlying motile apparatus to respond to environmental cues and trigger directional migration.

Future efforts to understand the processes that drive cell migration will need to use models that recapitulate the competing guidance cues and the physically and biochemically complex environments found in vivo. Doing so should clarify whether the many molecular mechanisms that control directional migration operate in a hierarchical framework or whether they are functionally redundant, or even synergistic.

Random versus directionally persistent cell migrationRyan J. Petrie, Andrew D. Doyle and Kenneth M. Yamada Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 538–549 (1 August 2009) | doi:10.1038/nrm2729

Random versus directionally persistent cell migration
Ryan J. Petrie, Andrew D. Doyle and Kenneth M. Yamada
Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 538–549 (1 August 2009) | doi:10.1038/nrm2729