Биомолекулярный градиент

Серый цвет представляет концентрацию молекулы.

Биомолекулярный градиент устанавливается разницей в концентрации молекул в биологической системе, такой как отдельные клетки, группы клеток или целый организм. Биомолекулярный градиент может существовать внутриклеточно (внутри клетки) или внеклеточно (между группами клеток). Цели таких градиентов в биологических системах различаются, но включают хемотаксис и функции в развитии. Эти типы градиентов играют роль во многих различных типах сигнализации, а также недавно были вовлечены в метастазирование рака.

Разработка

Клетки сами могут создавать биомолекулярные градиенты, высвобождая сигнальные молекулы, которые диффундируют наружу. Эти градиенты имеют решающее значение для клеточной идентичности и перемещения клеток. Аналогично, градиенты, создаваемые клетками, могут влиять на клеточную судьбу своими временными и пространственными характеристиками. У некоторых организмов выбор клеточной судьбы может определяться градиентом, бинарным выбором или через реле молекул, высвобождаемых клеткой. ^[1] Если клеточная судьба бинарна, на идентичность клетки влияет наличие или отсутствие сигнальной молекулы; следовательно, эти сигналы также могут индуцировать клеточную судьбу, действующую в реле. ^[1] Реле функционирует за счет того, что исходная клетка высвобождает сигнальную молекулу в окружающую среду. Соседние клетки, обладающие схожей клеточной идентичностью, реагируют на эти сигналы и могут высвобождать различные сигнальные молекулы в клетки в окружающей их области, способствуя дополнительным новым клеточным судьбам. Этот процесс продолжается для всех клеток в развивающемся организме. Напротив, сигнал может действовать в градиенте, который индуцирует определенную клеточную судьбу в зависимости от концентрации молекулы в градиенте. Эти типы молекул известны как морфогены .

Пример этого явления наблюдается в нервной трубке с различными концентрациями белка Sonic Hedgehog ( Shh ). ^[1] Shh характеризуется как морфоген и обладает пространственными и временными характеристиками, которые делают его хорошо подходящим для изучения.

Рак

Показывает миграцию клеток в ответ на типы молекул в градиенте.

Было показано, что биомолекулярные градиенты облегчают проникновение раковых клеток в различные типы тканей организма. Считается, что метастазы рака напрямую связаны с градиентами факторов роста, которые облегчают хемотаксис факторов, стимулирующих рак. Эти хемоаттрактанты способствуют ангиогенезу опухоли , а именно увеличению притока крови к тканям, что позволяет раку процветать в различных областях организма. ^[2] Таким образом, этот путь обеспечивает перемещение молекул, способствующих развитию опухоли, к здоровым тканям организма. ^[2]^[3] Необходимы дальнейшие исследования для количественной оценки путей, участвующих в вышеуказанной реакции, и могут дать представление о более эффективном лечении онкологических больных.

Сигнализация

Аналогичным образом биомолекулярные градиенты могут функционировать как антагонисты сигналов, которые имеют потенциал радикально влиять на характеристики клетки и, в свою очередь, на реакцию организма. Это включает в себя возможность клетки различать свою ориентацию или сдвигать барьер клеточной дифференциации в группе клеток. Например, такие механизмы могут использоваться, чтобы помочь организму защититься от инфекции. В частности, пораженная область тела действует как аттрактант через связывание лиганда с рецептором. Это может происходить через полярность, которая устанавливается антагонистами сигналов. Кроме того, этот тип взаимодействия лиганда с рецептором может привести к каскаду сигналов, который запускает митоз. Типом градиентной молекулы, которая выполняет вышеупомянутый механизм, является Pom1 . ^[4]

Ссылки

^ abc Харви Лодиш; Арнольд Берк; С. Лоуренс Зипурски; Пол Мацудайра; Дэвид Балтимор; Джеймс Дарнелл (2008). Молекулярная клеточная биология . Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-4292-0314-2.
^ ab Eccles SA (2005). «Нацеливание на ключевые этапы прогрессирования метастатической опухоли». Curr Opin Genet Dev . 15 (1): 77–86. doi :10.1016/j.gde.2004.12.001. PMID 15661537.
^ Кинан, Томас М.; Альберт Фолч (2008). «Биомолекулярные градиенты в системах культивирования клеток». Lab Chip . 8 (1): 34–57. doi :10.1039/b711887b. PMC 3848882. PMID 18094760 .
^ Moseley, JB; Mayeux, A.; Paoletti, A.; Nurse, P. (2009). «Пространственный градиент координирует размер клеток и митотический вход в делящихся дрожжах». Nature . 459 (7248): 857–861. Bibcode :2009Natur.459..857M. doi :10.1038/nature08074. PMID 19474789. S2CID 4330336.

[textbook-1] Харви Лодиш; Арнольд Берк; С. Лоуренс Зипурски; Пол Мацудайра; Дэвид Балтимор; Джеймс Дарнелл (2008). Молекулярная клеточная биология . Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-4292-0314-2.

[cancer-2] Eccles SA (2005). «Нацеливание на ключевые этапы прогрессирования метастатической опухоли». Curr Opin Genet Dev . 15 (1): 77–86. doi :10.1016/j.gde.2004.12.001. PMID 15661537.

[article-3] Кинан, Томас М.; Альберт Фолч (2008). «Биомолекулярные градиенты в системах культивирования клеток». Lab Chip . 8 (1): 34–57. doi :10.1039/b711887b. PMC 3848882. PMID 18094760 .

[Pom1-4] Moseley, JB; Mayeux, A.; Paoletti, A.; Nurse, P. (2009). «Пространственный градиент координирует размер клеток и митотический вход в делящихся дрожжах». Nature . 459 (7248): 857–861. Bibcode :2009Natur.459..857M. doi :10.1038/nature08074. PMID 19474789. S2CID 4330336.