Cell polarity: definition and core mechanism in animal and plant cells

Одним из наиболее интересных и важных свойств клетки является её способность генерировать и поддерживать асимметричное распределение субдоменов клеточной поверхности с разными химическими и физическими свойствами или клеточную полярность^1,2.

Клеточная полярность имеет отношение к одноклеточным системам, таким как почкующиеся дрожжи, подвижные клетки животных или растительные пыльцевые трубки или корни волос, а также к многоклеточным системам (коллективная миграция клеток вовремя заживления ран и развития животных, полярность по высоте клеток в ткани, такая как апико-базальная полярность в эпителиальных клетках и полярность по поверхности эпидермиса, также наз. planar cell polarity or PCP). Функционально, полярность участвует в направленной клеточной миграции в ответ на градиент химических привлекающих молекул или в хемотаксисе, поддержании плотных межклеточных контактов (посредством апико-базальной полярности) и позиционной информации (посредством PCP) в эпителии и в более общем ориентированном росте.

Несмотря на это структурное и функциональное разнообразие, стержневой механизм в основе клеточной полярности, по-видимому, довольно хорошо законсервирован в одноклеточных и многоклеточных системах, у животных, растений и грибов (Figure 1). Во-первых, сигнальные комплексы, особенно Rho семейство малых GTPase, собираются вблизи ориентиров клеточной поверхности, таких как рубцы у почкующихся дрожжей, сайты межклеточной адгезии, апексы пыльцевых трубок растений или локальные сигналы, генерируемые с помощью хемоаттрактантов или градиента натяжения. Эти сигнальные модули локально собирают цитоскелет, а также соединительные комплексы в эпителии животных. Это консолидирует инициальные сигналы полярности и распространяет ось полярности на всю клетку.

Figure 1. Integrating mechanical stress in the cell polarity pathway. The main actors of the signaling pathway for cell polarity establishment (e.g., Rho GTPase, cytoskeleton, vesicle traffic) are presented together with mechanical inputs (e.g., ECM stiffness) that may trigger activation of the pathway and mechanical outputs (e.g., membrane tension), which can consolidate and even drive polarity establishment.

Механические нестабильности также могут генерировать такие события нарушения симметрии. Напр., когда полимеризуются актиновые сети на сферической кусочке in vitro, то они подвергаются повышенному внутреннему натяжению и спонтанно дестабилизируются. Сеть прорывается в одном месте и становится почти немедленно поляризованной, приводя к поляризованной полимеризации актина и тем самым к линейным перемещениями кусочков, которые сравнимы по величине с Listeria, если наделяются цитоскелетным аппаратом для своего собственного транспорта внутри клетки [3]. В живой клетке, это может приводить к далеко идущим последствиям. В частности, ориентация актинового цитоскелета воздействует на организацию микротрубочек, чтобы ориентировать веретено вдоль оси клеточной полярности, и понуждает к везикулярному транспорту, главным образом, благодаря рекрутированию из хранилищ пузырьков и аппарата слияния vesicle на определенные сайты, приводя, напр., к повышенному локальному росту плазматической мембраны^1,4. Поскольку эти молекулярные события обычно вызывают асимметричные формы, клеточная полярность также способствует анизотропному распределению механических стрессов, возможно приводя к механической петле обратной связи, укрепляющей саму полярность.

Относительное молекулярное и функциональное сходство может выглядеть неожиданнм, учитывая структурные и механические отличия между клетками растений и животных (Figure 2a,b).

Figure 2. Symmetry breaking in animal and plant cells. (a) Isolated spherical animal cell with homogeneous membrane (gray) and actin (green). Polarity is mainly related to anisotropic organization of the actomyosin cortex, due to chemical gradient or to adhesion to an anisotropic substrate (adhesion complexes in red). (b) Isolated plant protoplast (i.e., with a largely digested cell wall) with homogeneous PIN1 (red) and microtubule (green) distribution. Polarity may be triggered by chemical gradient (e.g. auxin) or anisotropic cell walls (orange). (c)Dictyostelium discoideum cell exhibiting polarity in response to a hydrodynamic flow stress of 2.1 Pa (white arrow). Adapted, with permission (license number 2964230604013), from [49]. (d) Immunolocalization of PIN1 (red) and microtubules (green) in a region of the shoot apical meristem experiencing highly anisotropic stresses (the white arrow indicates the axis of maximal tensile stress). Adapted, with permission, from [46].

Во-первых, растительные клетки заключены в клеточную стенку и не обладают integrin последовательностями в своем геноме, тогда как клетки животных обладают только дискретными соединениями с extracellular matrix (ECM) или субстратом или посредством адгезивных сайтов или соединений. Интересно, что когда растительные клетки плазмолизируются, то присутствие Hechtian нитей указывает на существование дискретных сайтов адгезии между клеточной стенкой и плазматической мембраной. Более того, эти сайты обогащены цитоскелетными белками и могут быть разрушены с помощью RGD пептидов, RGD является типичным integrin-связывающим доменом некоторых ECM белков животных [5]. Наконец, fibronectin-подобные и vitronectin-подобные белки были идентифицированы у растений и показана избыточная экспрессия их, способствующая адгезии с клеточной стенкой особенно при salt-stress условиях [6]. Всё это подтверждает, что существуют сравнимые комплексы адгезии с клеточным матриксом как в krnrf[ растений, так и животных.

Во-вторых, хорошо известно, что клеточная форма у растений базируется на тургорном давлении, связанном с расширением клеточной стенки, тогда как клеточная форма у животных в основном контролируется кортикальным цитоскелетом. Тем не менее, сегодня накоплены доказательства, что осмотическое давление также существенно и выполняет похожие функции в клетках животных^7-9. основные различия, связанные с клеточной формой в клетках растений и животных, могут отражать различия, в характерных временных шкалах по которым происходят изменения в форме клеток растений и животных и это аргументировано может быть связано с природой нагрузок с (осмотическое давление)-опорными механическими структурами или солидной стенкой в клетках растений с Young модулем с MPa-GPa пределах, или поддатливым и динамическим kPa актомиозиновым кортексом в клетках животных.

Хотя молекулярные эффекторы клеточной полярности были идентифицированы и, по-видимому, законсервированы у растений и животных, точный механизм запуска и поддержания полярности остается спорным.

Animal and plant cells are mechanosensitive

Чтобы индуцировать поляризацию в ответ на механические сигналы, клетки д. быть способны ощущать свое механическое окружение. В последние 15 лет значительный прогресс был достигнут в области механотрансдукции, особенно в системах животных^10-12. Восприятие механических сигналов в основном базируется на трансмембранных белках, механочувствительных каналах, цитоскелетных и адгезивных белках. Нижестоящая сигнальная трансдукция также начинает проясняться. Напр., у эмбрионов Drosophila β-catenin, который принадлежит адгезивному комплексу, транслоцируется в ядро после механических деформаций в начале гаструляции и действует как прямой транскрипционный ко-активатор, значительно индуцируя экспрессию Twist в первичной передней кишке [13]. Некоторые из этих действующих факторов взаимосвязаны с аппаратом клеточной полярности. Транскрипционные регуляторы YAP/TAZ трансдуцируют механические сигналы от ECM к ядру, Rho GTPase- и актомиозин-зависимым способом [14]. У растений, кстати, были идентифицированы только растяжением активируемые каналы и некоторые сенсоры клеточной стенки, которые, скорее всего, воспринимают механические сигналы^15,16.

Два важных свойства д. лежать в основе механотрансдукции. Во-первых, эти трансдукционные каскады не являются экзотическими, они просто базируются на конформационных изменениях белков, как лигандом индуцированная трансдукция. Во-вторых, небольшие силы могут быть умножены путем передачи натяжения более крупным структурам, таким как элементы ECM [10]. Отметим, что хотя это д. затрагивать более крупные популяции трансдукторов и тем самым увеличивать силу сигнала, но фибриллярная природа ECM элементов как у растений, так и животных может в принципе добавлять некоторый уровень анизотропии в трансдукции.

Однако для клеток чувствительность к механическим сигналам имеет отношение к клеточной поляризации, она д. демонстрировать, что у живых организмов полярность коррелирует с различиями в механических свойствах на субклеточном уровне.

Cell polarity correlates with local differences in mechanical properties

Локальные различия в натяжении могут быть выявлены, особенно в тканях. Лазером индуцированные разрушения соединений в эпителии Drosophila приводят к разным паттернам релаксации, зависящим от того находится ли мембрана под натяжением или нет. В Drosophila заднеспинке (scutellum), соединения, несущие GFP-нагруженный myosin Dachs имеют натяжение вдвое выше, чем GFP-негативные соединения (Figure 3a,b) (17-20).

Figure 3. Visualizing mechanical stress and its consequences in animal and plant cells. (a,b) E-cadherin:GFP expressing Drosophila cells before (a) and after (b) ablation, revealing the local pattern of tension. Adapted, with permission (license number 2964240295700), from [20]. (c-e) Analog models used in plants to represent tension in cytoplasmic strands around the nucleus and connected to the cell cortex. (c) Surface tension of soap bubbles in a hexagon; (d) springs on teflon collars set within a jointed frame; (e) these data can be compared to tradescantia leaf cells stained with rhodamine phalloidin (demonstrating the presence of F-actin in radial strands). Adapted, with permission, from [102]. (f) Actin accumulates around a discoid model wound induced by removal of a pillar stencil. Adapted, with permission, from [103]. (g) Cortical microtubules (green) orient circumferentially around a laser-induced wound (as revealed by FM4-64 staining in red) in Arabidopsis meristems. Adapted, with permission (license number 2964231050024), from [21].

У растений shoot apical meristem (SAM) представляет собой привлекательную систему для исследования гетерогенности в механических свойствах и их роли в тканях. SAM это полусферическая группа делящихся клеток на кончике веточек растения, которая инициирует новые органы на своих флангах, тогда как поддерживаемая популяция стволовых клеток находится на её кончике. Она полностью доступна, её рост замедлен по сравнению с большинством эмбрионов животных, а органогенез циклический, всё это облегчает анализ. Как и у эмбрионов Drosophila лазером индуцированное удаление клеток используется для определения присутствия паттерна натяжения в Arabidopsis SAM, с изотропными стрессами на кончике и анизотропными стрессами на флангах и этот паттерна может быть связан с анизотропией кортикальных микротрубочек (Figure 3) [21]. В дополнение к устранению клеток локальные различия в механических свойствах SAM были выявлены при осмотических воздействиях [22] и с помощью atomic force microscopy^23,24. Достоверная вариабельность в Young модуле наблюдалась также внутри каждой клетки меристемы [24]. Эти региональные и локальные гетерогенности коррелируют с морфогенетическими событиями, такими как образование складок тканями как у растений^21,25 так и животных^19,20,26. Следовательно, клетки обладаютаппаратом чувствительности к механическим воздействиям, а механические свойства, в самом деле, могут быть гетерогенными по клеточной поверхности. Теоретически, могут ли механические силы запускать клеточную полярность?

Triggering cell polarity with mechanical stress: theoretical considerations

Интуитивно принимается, что клеточная полярность может быть задана с помощью внешнего градиента. Поскольку коммуникации посредством химических сигналов, таких как quorum sensing, хорошо известны, клетки могут также взаимодействовать посредством своего механического окружения, а механическая анизотропия ECM может теоретически вызывать поляризацию клеток [27]. В частности, актомиозиновые комплексы могут действовать как силовые диполи, которые могут ориентироваться вдоль градиентов ригидности ECM или выстраиваться в стрессовом поле, создаваемом в матриксе с помощью др. клеток, чтобы минимизировать эластическую энергию^28,29.

Однако полярность клеток может быть также индуцирована в отсутствие внешнего градиента. Модель Тьюринга демонстрирует, что две молекулы, медленно диффундирующий активатор и быстро диффундирующих ингибитора, первоначально распределенные равномерно, могут спонтанно сегрегировать с помощью механизма reaction-diffusion и тем самым вызывать поляризацию клеток^30-32. Др. словами, локальная активация и глобальное ингибирование необходимы, чтобы вызывать устойчивую поляризацию. Хотя эта модель выдвигает вперед reaction-diffusion механизмы с участием химических факторов, первоначально Turing принимал во внимание как химические, так и механические свойства клеток в своей работе, но позднее решил пренебречь механическими данными из-за дополнительных сложностей [31]. Недавняя работа показала, что механические силы могут генерировать как локальную активацию, так и глобальное ингибирование, тем самым предоставляя способ генерировать клеточную полярность в биомеханической reaction-diffusion модели.

В частности, концентрация актина на одном полюсе клеток животных (локальный активатор), и последующее выпячивание мембраны, увеличивают натяжение мембраны, которое в свою очередь глобально ингибирует выпячивания на др. частях клетки (Figure 1) [33]. Отметим, что поскольку механические силы распространяются со скоростью звука, это ингибирование почти мгновенное и это составляет основное отличие от передачи сигналов, базирующейся на биохимии.

Хотя эта модель работает на изолированных подвижных клетках, как клетки могут поддерживать такое натяжение в многоклеточном контексте, где межклеточные контакты - соединения в эпителиальных клетках животных и plasmodesmata у растений - присутствуют повсюду на поверхности клеток? Кроме того, помимо полимеризации цитоскелета клеточная полярность может быть также достигнута посредством дифференциального закрепления на внеклеточном матриксе и соседних клетках и/или посредством неравномерного эндоцитотического транспорта. Эти механизмы могут вносить вклад в поддержание механического статуса клетки и тем самым её полярности.

Эти теоретические размышления не только показывают, что механические воздействия могут запускать клеточную полярность, но и что они возможно также лежат в основе клеточных механизмов: закрепление на ECM, динамика цитоскелета, натяжение мембран и перенос пузырьков.

Anchorage to the ECM

Теперь хорошо известно на клетках животных, как закрепление на ECM, в сайтах адгезии, вносит вклад в механотрансдукцию и рекрутирование цитоскелетных белков поляризованным способом [34]. В частности, растяжение фибронектина может делать доступными места связывания для интегринов, это в свою очередь ведет к конформационным изменениям, которые влияют на молекулярный каскад с вовлечением регуляторов цитоскелета. Механические воздействия могут также индуцировать непосредственное расширение внутриклеточных молекул, связанных с фокальными адгезиями, запуская тем самым фосфорилирование и активацию нижестоящей передачи сигналов [35]. Такие механизмы могут помочь поддержанию полярности путем поддержания специфической биохимической активности в клеточных субдоменах, подвергаемых сильным стрессам, как на ведущем крае мигрирующих клеток. Механотрансдукция посредством расширения молекул из адгезивных комплексов также используется в поляризации многоклеточных систем. Напр., α-catenins действуют как трансдукторы натяжения; в ответ на конформационные изменения они могут рекрутировать vinculin, актин-связывающий белок [36]. Сходным образом, было показано, что C-cadherin усиливается с помощью механических сил, чтобы поддерживать клеточную полярность мезодермальных клеток Xenopus [37].

Важна ли связь с ECM также для клеточной полярности у растений? Переносчики PIN auxin-efflux представляют собой молекулярные характеристики клеточной полярности, поскольку они обычно локализуются на одной стороне клетки, и т. о. управляют поляризованным поступлением auxin в ткани^38,39. Интересно, что PIN1 и PIN2, по-видимому, обладают слабой латеральной диффузией в плазматической мембране^40,41, PIN1 становится деполяризованным в лишенных стенок протопластах [42], и его полярность изменена у мутантов по синтазе целлюлозы [43], подтверждая тем самым, что соединения со стенкой клетки, в самом деле, вносят вклад в полярность PIN1. Соответственно, PIN поляризованные грузы обнаруживаются также в ассоциации с Hechtian нитями [43]. Доминантная роль клеточной стенки в предупреждении латеральной диффузии белков плазматической мембраны, фактически, скорее правило. чем исключение [44].

Гипотеза, что механические свойства клеточной стенки могут управлять полярностью PIN1, была исследована на SAM. На верхушке побега PIN1 в основном экспрессируется в эпидермисе и было предположено, что он концентрируется на той стороне клетки, которая соседствует с клеткой с наивысшим содержанием auxin. На тканевом уровне этот направленный приток auxin может генерировать локальные пики auxin, как полагают, запуская тем самым органогенез, который, в свою очередь, генерирует ингибирующие поля вокруг зарождающихся органов (где auxin истощен), и тем самым предопределять позицию последующих органов (т.e., phyllotaxis) [45]. Механистически несколько моделей могут объяснить, как клетка может измерять содержание auxin в смежной клетке. Жесткость стенки в принципе может быть связана с содержанием auxin; поэтому было предположено, что соседние клетки могут измерять остаточное напряжение, чтобы запускать полярность PIN1 (Figure 2d). Эта модель в точности воспроизводит паттерн PIN1 после механических пертурбаций и даже воспроизводит phyllotaxis, исходя из клеточной полярности, управляемой механическими усилиями [46]. Воздействие осмотического давления и внешних сил, а также модуляции натяжения мембраны и жесткости стенки, ещё больше подтверждают, что локализация PIN1 зависит от его механического окружения [47].

Др. полярные белки у растений ведут себя сходным образом. Напр., белок BASL, как было установлено, переключает полярность после клеточного деления и таким образом управляет формированием пространственного паттерна устьиц в эпидермисе листка [48]; было бы интересно исследовать, может ли быть связана реакция с изменением механического статуса после деления клетки.

Cytoskeleton organization

Цитоскелет может становиться поляризованным в ответ на механические сигналы. У Dictyostelium, подверженной гидродинамическим сдирающим воздействиям, полимеризация актина становится поляризованной и происходит на той стороне клетки, которая противостоит току (Figure 2c). Интересно, что эта полярность может быть обращена, если направление тока также изменится. После инверсии тока жидкости полимеризация актина временно ингибируется во всей клетке, затем демонстрируется, что механический стресс может влиять на динамику актина [49]. Сходным образом, эндотелиальные клетки аорты телят становятся анизотропными, когда подвергаются воздействию сдвигового напряжения (shear stresses) непрерывного ламинарного потока [50]. Будучи культивируемые на мягком субстрате, подверженном циклическим растяжениям, фибробласты переориентируют свои стрессовые волокна или параллельно или перпендикулярно направлению нагрузки, в зависимости от частоты [51]. Удивительно, циклические растяжения и последующая переориентация актина и микротрубочек, как было установлено, усиливают генов перенос и экспрессию в легочных клетках человека [52].

Жесткость окружения, как известно, ориентирует полярность клеток животных, приводя к преимущественному распределению и миграции вдоль оси жесткости, когда клетки культивируются на субстрате с анизотропной жесткостью ('durotaxie' 53-55, Figure 2a). Фактически, зависимая от актомиозина механическая активность адаптируется к ригидности окружения, при этом более сильные тянущие силы приходятся на более жесткий субстрат^56-58. Адаптация тянущих сил к жесткости в комбинации с чувствительностью фокальных адгезий к силам, могут в принципе объяснить, как градиенты жесткости вызывают поляризацию клеток [59]. Интересно, что чувствительность этой комбинированной реакции может быть модулирована с помощью генетической активности [60]. Напротив, генетическая активность, как было установлено, чувствительна к жесткости и коррелирует с клеточной анизотропией. Мезенхимные стволовые клетки человека росли на субстрате с разной ригидностью и в то время как мягкость и жесткость субстрата приводила к нейронам или остеобласт-подобным клеткам с почти изотропными формами, субстраты с промежуточной жесткостью вызывали образование поляризованных миобласт-подобных клеток [61]. Такая корреляция между формой клеток, тянущими силами и экспрессией генов может быть обусловлена сжатием ядра [62].

Механические силы могут также воздействовать на динамику промежуточных филамент. В частности, C-cadherin в межклеточных контактах сам по себе неспособен реорганизовывать кератиновый цитоскелет и задавать клеточную полярность в мезэнтодерме Xenopus [37]. Только когда преодолевается напряжение, используя намагниченные кусочки, покрытые cadherin, соединенным с магнитными щипчиками, чтобы наложить силы, то C-cadherin вызывает реорганизацию кератина посредством рекрутирования plakoglobin в места межклеточных контактов. Когда клетки подвергаются току, то эти клетки поляризуются так, что движутся против тянущих сил [37].

Сходным образом, у растений микротубулярные цитоскелет повышает анизотропность под воздействием внешне приложенных механических усилий. В частности, центрифугирование, сдавливание, лазером индуцированные стрессы и фармакологически индуцированное истончение стенки (и увеличение тем самым стресса), всё это ведет к более определенным ориентациями микротрубочек в растительных клетках (Figures 2d and 3g)^21,46,63. Это, в свою очередь, влияет на механическую анизотропию клеточной стенки посредством зависимого от микротрубочек отложения жестких целлюлозных микрофибрилл в стенке. Интересно, что как и в предыдущих примерах исследований клеток животных растительные клетки противостоят области максимальных стрессов и, как было установлено, с использованием ориентации новых микротрубочек для отложения жестких целлюлёзных микрофибрилл, располагаются параллельно направлению максимальных стрессов^21,64. Отметим, что динамика и организация микротрубочек, как было установлено, участвуют в поляризации клеток животных в связи с клетка-форма и клетка-клетка взаимодействий [65].

Поэтому кажется, что клетки внутри царств преобразуют свой цитоскелет, чтобы он противостоял механическим стимулам, закрепляя тем самым клеточную полярность. Двигаясь вверх по шкале эта реакция фактически кажется аналогичной реакции кости на механическую нагрузку или правилу Wolff's, согласно которому трабекулы усиливаются вдоль направления максимального давления [66].

Membrane tension controls cell polarity

Изменения в организации цитоскелета влияют на клеточную полярность, модифицируя механическую анизотропию ECM посредством кортикальных микротрубочек у растений; путем гидростатического давления посредством контрактильного актомиозинового кортекса у животных; и с помощью целевого транспорта пузырьков как у растений, так и животных. Эти три механизма д. влиять на натяжение мембраны, что, в свою очередь, может способствовать и/или консолидирует полярность.

Изменения в натяжении мембраны могут быть выявлены путем проталкивания мембранных (привязей) с помощью оптических ловушек. Отметим, что в этих экспериментах, силы связывания измеряют эффективное натяжение, фактически, представляя как натяжение липидного бислоя, так и закрепление на цитоскелете мембраны. Используя этот протокол значение натяжения мембраны выглядело вдвое большим на выпячиваниях ведущего края нейтрофилов [67], а в условиях гиперосмоса натяжение мембраны снижалось в 5 раз [9].

Интересно, что сферические выпячивания в клетках животных, называемые blebs, расширяются только выше специфического порога кортикального натяжения [68], а изменения в натяжении мембраны также коррелируют с клеточной полярностью. Снижение натяжения мембраны в условиях гиперосмоса коррелирует с дезорганизованными и короткими актиновыми филаментами и уменьшением скорости смещения клеток, тогда как увеличение натяжения способствует полимеризации актина, уменьшению боковых выпячиваний и повышению подвижности в спермиях Caenorhabditis elegans [9]. В самом деле, натяжение, по-видимому, контролирует образование выпячиваний во многих типах клеток^69,70.

Недавнее исследование с комбинацией микромеханических и осмотических манипуляций, чтобы показать, что выпячивания по фронту увеличивают натяжение мембраны и т.о., защищают стороны и тыл клетки (т.e., индуцируется поляризация) в нейтрофилах [67]. Авт. использовали присасывание к клеткам нейтрофилов, увеличивая тем самым натяжение мембраны и наблюдали, что выпячивания прекращаются почти немедленно. Это обнаруживало также корреляцию с ингибированием активности Rac и рекрутирования SCAR/WAVE комплекса, хорошо известного своей активностью по зарождению (nucleating) актина. Удивительно, гипотонические условия воспроизводили эту реакцию и напротив гиперосмотические условия умножали количество выпячиваний и мест рекрутирования SCAR/WAVE по всей клетке. Наконец, авт. отсоединяли мембранное натяжение sensu stricto (т.e., натяжение внутри мембранного бислоя) от натяжения, генерируемого миозином в цитоскелете, соседствующем с мембраной. В присутствии blebbistatin, который ингибирует активность миозина, выпячивания всё ещё наблюдались, демонстрируя, что натяжение мембраны ответственно за становление клеточной полярности, подтверждая идею, что общим знаменателем,управляющим полярностью является натяжение мембраны [67].

Поскольку в присутствии клеточной стенки натяжение мембраны трудно измерить у растений неинвазивным способом и поэтому его роль в клеточной полярности не может быть просто отделена от таковой стенки клетки. Несмотря на это тургорное давление в индивуальных клетках может быть измерено зондами давления [71] или тонометрией шариков [72], и косвенные доказательства показывают, что тургорное давление может быть гетерогенным в ткани, возможно из-за того, что plasmodesmata между клетками могут быть блокированы, по крайней мере, временно^73,74. Более того, предсказание, что PIN1 может поляризовать мембрану для преодоления наивысшего натяжения, согласуется с наблюдением, что локализация PIN1 возникает по окружности вокруг раны в меристемной ткани [46]. Строгим подтверждением этой находки является то, что плотность PIN1 в плазматической мембране снижается, когда снижается натяжение мембраны, за счет воздействия этанола и DMSO, повышения температуры, или гиперосмотического стресса, тогда как она увеличивается, если натяжение мембраны возрастает после воздействия холодом, гипоосмотического стресса, воздействия сдавливающих сил или центрифугирования [47]. Как увидим ниже, эта реакция может быть связана со скоростью эндоцитоза и экзоцитоза.

Mechanically regulated endo/exocytosis controls cell polarity

Помимо ECM и цитоскелета, действующих на натяжение мембраны, трафик пузырьков вносит свой вклад в клеточную полярность, возможно благодаря направленности цитоплазматических потоков и поддержанию клеточной асимметрии в клетках растений и животных^75,76. Напр., PIN белки, как было установлено, постоянно подвергаются эндоцитозу [41], это является критическим для генерации их полярного распределения [77] и для их поддержания в жидких условиях плазматической мембраны [40]. Два разных эндоцитотических маршрута используются членами PIN семейства^78,79, а содержание стерола в плазматической мембране, как было установлено, регулирует полярность PIN2 посредством регуляции эндоцитоза [80]. Интересно, что перенос пузырьков регулирует и регулируется с помощью мембранного натяжения; эндоцитоз ингибируется в мембранах с высоким натяжением, тогда как экзоцитоз ослабляет это натяжение^81,82.

Более специфически модуляция эндоцитоза с помощью механического натяжения может быть объяснена с использованием генеральной модели, которая предполагает существование асимметрии трансмембранного поверхностного натяжения как многообещающей движущей силы [83]. Согласно этой модели динамика эндоцитоза непосредственно связана с асимметрией количества фосфолипидов. Т.о., уплощение мембраны под действием механического натяжения ингибирует эндоцитоз. Это зависимое от натяжения ингибирование эндоцитоза участвует в инвагинации мезодермы во время эмбриогенеза у Drosophila^84,85. Отметим, что стабильность и форма могут быть также изменены с помощью химически индуцированной асимметрии в составе между двумя монослоями ^86-88.

Однако, трудно разделить вышестоящие и нижестоящие эффекты, поскольку эндоцитоз сам по себе контролирует локализацию эффекторов полярности в клетках растений и животных. В частности , размер кластеров Rho GTPase модулируется с помощью скорости эндоцитоза [89].

В то время как исследования на дрожжах показывают, что полярность клеток нуждается в активации эндоцитоза, полярность клеток в многоклеточных системах, напротив, нуждается в локальном ингибировании эндоцитоза, посредством Rho GTPase как у растений, так и животных. Апикальная полярность нейроэктодермального эпителия Drosophila поддерживается в основном посредством слипчивых соединений. Базируясь на анализе потери функции, Rho GTPase CDC42 снижает скорость эндоцитоза, т.о., поддерживающие факторы, такие как Crumbs в клеточном кортексе участвуют в стабильности соединений и полярности [90]. Сходным образом, у растений в мультиполярных puzzle-образных эпидермальных клетках листа, эндоцитоз PIN1 преимущественно ингибируется в дольках, но не в шейках. Это ингибирование обеспечивается с помощью Rho GTPase ROP2, которая в свою очередь поддерживает полярность PIN1 [91].

Связь механического статуса ECM, натяжения мембраны,а пузырьков и цитоскелета определенно один путь для будущих исследований полярности. Известно у растений, что auxin, посредством auxin рецептора ABP1 [92], активирует ROPs, которые, в свою очередь, поддерживают полярность^93-95. Интерсно, что ABP1, как полагают, участвует в передаче сигналов auxin в кортексе клетки, в месте, где auxin обусловливает ацидификацию клеточной стенки - и тем самым активирует разрыхляющие стенку факторы, такие как expansins, которые работают оптимально при низком pH. Необходимы дальнейшие исследования, может ли разрыхление стенки и тем самым усиление стресса быть связано с активацией ROP.

Concluding remarks

The ECM, plasma membrane, and cytoskeleton may be viewed as a bistable system, which by default is isotropic, and becomes anisotropic upon mechanical stimulation (Figure 2a,b). Using fragments of fish epidermal keratocytes without nuclei, application of a transient local force induced polarization and even motility of initially isotropic and stationary fragments [96]. In fact, symmetry breaking could be spontaneously generated through shape fluctuations [97]; a particular shape was selected through amplification and feedback via chemical signaling, cytoskeleton adaptation, and/or membrane tension and biased trafficking, as mentioned above.

This highlights the contribution of molecular stochasticity in establishing polarity. Assuming that there is a positive feedback loop between CDC42 and its recruitment to the plasma membrane, it was shown in silico that polarization may be induced spontaneously provided that the concentration of CDC42 remains below a specific threshold [98]. In this scenario, mechanical forces may provide directionality in response to the environment. Further work and technological developments, such as high-resolution optomechanical coupling tools, will be needed for deciphering the interplay between mechanical forces and molecular signaling at the cell cortex, and the role of stochastic behaviors in this response.

Another challenge for the future is to decipher the interaction between growth and polarity. The Drosophila wing epithelium takes shape thanks to PCP patterning, but gradients in PCP components are not sufficient by themselves to generate polarity. Cell rearrangements and mechanical forces can reorient polarity along the proximo-distal axis, and thus contribute to PCP patterning 32 and 99. Similarly in plants, the final leaf shape depends on polarity that arises from patterning molecular components in conjunction with mechanical stress associated with tissue deformation [100]. It is noteworthy that models based on concepts retrieved from polar liquid crystals succeeded in describing mechanical activity at the cell scale [101]. These models could be used in the future to elucidate the contribution of mechanics in tissue development and PCP establishment [32].

The mechanics behind cell polarity Atef Asnacios, Olivier Hamant Trends in Cell Biol. Volume 22, Issue 11, November 2012, Pages 584–591 http://dx.doi.org/10.1016/j.tcb.2012.08.005

The mechanics behind cell polarity
Atef Asnacios, Olivier Hamant
Trends in Cell Biol. Volume 22, Issue 11, November 2012, Pages 584–591 http://dx.doi.org/10.1016/j.tcb.2012.08.005