Взаимодействие клеток
Коммуникации в клеточной биологии

Взаимодействие клеток относится к прямым взаимодействиям между поверхностями клеток , которые играют решающую роль в развитии и функционировании многоклеточных организмов. Эти взаимодействия позволяют клеткам общаться друг с другом в ответ на изменения в их микроокружении. Эта способность отправлять и получать сигналы необходима для выживания клетки. Взаимодействия между клетками могут быть стабильными, например, те, которые осуществляются через клеточные соединения . Эти соединения участвуют в коммуникации и организации клеток в определенной ткани. Другие являются преходящими или временными, например, взаимодействия между клетками иммунной системы или взаимодействия, участвующие в воспалении тканей . Эти типы межклеточных взаимодействий отличаются от других типов, таких как взаимодействия между клетками и внеклеточным матриксом . Потеря коммуникации между клетками может привести к неконтролируемому росту клеток и раку .

Стабильные взаимодействия

Различные типы клеточных соединений. На этой диаграмме интерфейс между соседними клетками или базолатеральной мембраной изображен в виде «слоев»; пространство между этими слоями является внеклеточной средой и местом взаимодействия адгезивных белков.

Стабильные взаимодействия между клетками необходимы для адгезии клеток в ткани и контроля формы и функции клеток. [1] Эти стабильные взаимодействия включают клеточные соединения , которые представляют собой мультипротеиновые комплексы, обеспечивающие контакт между соседними клетками. Клеточные соединения обеспечивают сохранение и правильное функционирование эпителиальных клеточных пластов . Эти соединения также важны для организации тканей, где клетки одного типа могут прилипать только к клеткам той же ткани, а не к другой ткани. [2]

Плотные соединения

Плотные соединения представляют собой многобелковые комплексы, которые удерживают клетки одной ткани вместе и предотвращают перемещение воды и водорастворимых молекул между клетками. В эпителиальных клетках они также выполняют функцию разделения внеклеточной жидкости, окружающей их апикальную и базолатеральную мембраны. [1] Эти соединения существуют в виде непрерывной полосы, расположенной чуть ниже апикальной поверхности между мембранами соседних эпителиальных клеток. Плотные соединения на соседних клетках выстраиваются в линию таким образом, чтобы создавать уплотнение между различными тканями и полостями тела. Например, апикальная поверхность эпителиальных клеток желудочно-кишечного тракта служит селективным проницаемым барьером, который отделяет внешнюю среду от тела. [3] Проницаемость этих соединений зависит от множества факторов, включая белковый состав этого соединения, тип ткани и сигналы от клеток. [1]

Плотные соединения состоят из множества различных белков. Четыре основных трансмембранных белка — это окклюдин , клаудин , молекулы адгезии соединений (JAM) и трицеллюлины . Внеклеточные домены этих белков образуют барьер плотных соединений, осуществляя гомофильные (между белками одного вида) и гетерофильные взаимодействия (между разными типами белков) с доменами белков на соседних клетках. Их цитоплазматические домены взаимодействуют с цитоскелетом клетки, чтобы закрепить их. [3]

Анкерные соединения

Из трех типов якорных соединений только два участвуют во взаимодействии клеток: адгезионные соединения и десмосомы . Оба типа встречаются во многих типах клеток. Соседние эпителиальные клетки соединены адгезионными соединениями на своих боковых мембранах. Они расположены чуть ниже плотных соединений. Их функция заключается в придании формы и натяжения клеткам и тканям, а также они являются местом передачи сигналов между клетками. Адгезивные соединения состоят из молекул клеточной адгезии из семейства кадгеринов . Существует более 100 типов кадгеринов, соответствующих множеству различных типов клеток и тканей с различными потребностями в закреплении. Наиболее распространенными являются E-, N- и P-кадгерины. В адгезионных соединениях эпителиальных клеток E-кадгерин является наиболее распространенным. [1]

Десмосомы также обеспечивают прочность и долговечность клеток и тканей и расположены чуть ниже адгезионных соединений. Они являются участками адгезии и не окружают клетку. Они состоят из двух специализированных кадгеринов, десмоглеина и десмоколлина . Эти белки имеют внеклеточные домены, которые взаимодействуют друг с другом на соседних клетках. На цитоплазматической стороне плакины образуют бляшки, которые прикрепляют десмосомы к промежуточным филаментам, состоящим из белков кератина. Десмосомы также играют роль в межклеточной сигнализации. [4]

Щелевые соединения

Щелевые контакты являются основным местом передачи сигналов или коммуникации между клетками, которые позволяют малым молекулам диффундировать между соседними клетками. У позвоночных щелевые контакты состоят из трансмембранных белков, называемых коннексинами . Они образуют гексагональные поры или каналы, через которые могут проходить ионы, сахара и другие небольшие молекулы. Каждая пора состоит из 12 молекул коннексина; 6 образуют полуканал на одной клеточной мембране и взаимодействуют с полуканалом на соседней клеточной мембране. Проницаемость этих соединений регулируется многими факторами, включая pH и концентрацию Ca 2+ . [1]

Рецепторные белки в прямой контактной сигнализации

Рецепторные белки на поверхности клетки обладают способностью связывать специфические сигнальные молекулы, секретируемые другими клетками. Клеточная сигнализация позволяет клеткам общаться с соседними клетками, близлежащими клетками ( паракринная ) и даже отдаленными клетками ( эндокринная ). Это связывание вызывает конформационное изменение рецептора, которое, в свою очередь, вызывает ответ в соответствующей клетке. Эти ответы включают изменения в экспрессии генов и изменения в структуре цитоскелета . Внеклеточная поверхность плазматической мембраны имеет множество белков , углеводов и липидов , которые выступают наружу и действуют как сигналы. Прямой контакт между клетками позволяет рецепторам на одной клетке связывать небольшие молекулы, прикрепленные к плазматической мембране другой клетки. У эукариот многие клетки на раннем этапе развития общаются посредством прямого контакта. [5]

Синаптическая сигнализация , неотъемлемая часть активности нервной системы , происходит между нейронами и целевыми клетками. Этими целевыми клетками также могут быть нейроны или другие типы клеток (например, мышечные или железистые клетки). Протокадгерины , члены семейства кадгеринов , опосредуют адгезию нейронов к своим целевым клеткам в синапсах, также известных как синаптическими соединениями. Для того чтобы между нейроном и его целевой клеткой произошла связь, волна деполяризации проходит по всей длине нейрона и вызывает высвобождение нейротрансмиттеров в синаптическое соединение. Эти нейротрансмиттеры связывают и активируют рецепторы на постсинаптическом нейроне, тем самым передавая сигнал целевой клетке. Таким образом, постсинаптическая мембрана принадлежит мембране, принимающей сигнал, в то время как пресинаптическая мембрана является источником нейротрансмиттера. В нервно-мышечном соединении синапс образуется между двигательным нейроном и мышечными волокнами . У позвоночных ацетилхолин , высвобождаемый из двигательного нейрона, действует как нейротрансмиттер, который деполяризует мышечное волокно и вызывает сокращение мышц . Способность нейрона получать и интегрировать одновременные сигналы из окружающей среды и других нейронов позволяет животным вести себя сложно . [6]

Взаимодействие растительных клеток

Клетки растений окружены клеточными стенками, которые являются барьерами для межклеточной коммуникации. Этот барьер преодолевается специализированными соединениями, называемыми плазмодесмами . Они похожи на щелевые соединения, соединяющие цитозоль соседних клеток. Небольшие молекулы (<1000 Да), такие как ионы, аминокислоты и сахара, могут свободно диффундировать через плазмодесмы. Эти небольшие молекулы включают сигнальные молекулы и факторы транскрипции . Размер канала также регулируется, чтобы пропускать молекулы размером до 10 000 Да. Проницаемость этих каналов зависит от многих факторов, включая концентрацию Ca2+. Увеличение концентрации цитозольного Ca2+ обратимо ограничит проход через плазмодесмы. В отличие от щелевых соединений, клеточные мембраны соседних клеток сливаются, образуя непрерывный канал, называемый кольцом. Кроме того, внутри канала имеется расширение эндоплазматического ретикулума , называемое десмотрубочкой , которое простирается между клетками. Межклеточные взаимодействия, обеспечиваемые плазмодесмами, играют важную роль в развитии растительных клеток и тканей, а также в защите от вирусной инфекции. [1]

Кратковременные взаимодействия

Иммунная система

Лейкоциты или белые кровяные клетки уничтожают аномальные клетки, а также обеспечивают защиту от бактерий и других инородных тел. Эти взаимодействия являются временными по своей природе, но имеют решающее значение как немедленный иммунный ответ. Чтобы бороться с инфекцией, лейкоциты должны перемещаться из крови в пораженные ткани. Это перемещение в ткани называется экстравазацией . Оно требует последовательного формирования и разрыва межклеточных взаимодействий между лейкоцитами и эндотелиальными клетками, выстилающими кровеносные сосуды. Эти межклеточные взаимодействия опосредуются в основном группой молекул клеточной адгезии (CAM), называемых селектинами. [1]

Т-хелперные клетки , центральные для иммунной системы, взаимодействуют с другими лейкоцитами, высвобождая сигналы, известные как цитокины , которые активируют и стимулируют пролиферацию В-клеток и Т-киллерных клеток . Т-хелперные клетки также напрямую взаимодействуют с макрофагами , клетками, которые поглощают инородные тела и выставляют антигены на своей поверхности. Т-хелперные клетки, обладающие соответствующими рецепторами, могут связываться с этими антигенами и размножаться, в результате чего Т-хелперные клетки обладают способностью распознавать те же антигены. [7]

Коагуляция

Коагуляция или свертывание крови зависит, в дополнение к образованию фибрина , от взаимодействия между тромбоцитами . Когда эндотелий или выстилка кровеносного сосуда повреждены, соединительная ткань , включая коллагеновые волокна, локально обнажается. Первоначально тромбоциты прилипают к открытой соединительной ткани через специфические рецепторы клеточной поверхности. За этим следует активация и агрегация тромбоцитов, при которой тромбоциты прочно прикрепляются и выделяют химические вещества, которые привлекают соседние тромбоциты к месту сосудистого повреждения. Затем вокруг этого скопления тромбоцитов образуется сетка из фибрина, увеличивающая прочность сгустка. [8]

Взаимодействие клеток между бактериями

Бактериальные популяции взаимодействуют аналогично клеткам в тканях. Они общаются посредством физических взаимодействий и сигнальных молекул, таких как гомосериновые лактоны и пептиды, в качестве средства для контроля метаболизма и регулирования роста. Распространенным примером и одной из наиболее изученных форм взаимодействия бактериальных клеток является биопленка. Биопленка представляет собой клеточный агрегат, который может быть прикреплен к биологическим или абиотическим поверхностям. Бактерии образуют биопленки для адаптации к различным средам, таким как изменения в доступности субстрата. Например, образование биопленки повышает устойчивость бактериальной клетки к антибиотикам по сравнению с клетками, которые не являются частью агрегата. [9]

Патологические проявления

Рак

Рак может возникнуть в результате потери взаимодействия между клетками. В нормальных клетках рост контролируется контактным торможением , при котором контакт с соседними клетками вызывает остановку роста клеток. Считается, что контактное торможение опосредуется кадгеринами , белками, которые играют важную роль в клеточной адгезии . Это торможение не позволяет клеткам нагромождать друг друга и образовывать холмы. Однако в раковых клетках, где теряется экспрессия E-кадгерина, теряется контактное торможение, что приводит к неконтролируемому росту или пролиферации, образованию опухолей и метастазам . [10]

Бактериальные патогены

Для того чтобы патогенные бактерии проникли в клетку, требуется связь с клеткой-хозяином. Первым шагом для проникновения бактерий обычно является адгезия к клеткам-хозяевам. Сильное закрепление, характеристика, которая определяет вирулентность , предотвращает вымывание бактерий до того, как произойдет заражение . Бактериальные клетки могут связываться со многими поверхностными структурами клеток-хозяев, такими как гликолипиды и гликопротеины, которые служат рецепторами прикрепления. После прикрепления бактерии начинают взаимодействовать с хозяином, нарушая его нормальное функционирование и нарушая или перестраивая его цитоскелет. Белки на поверхности бактерий могут взаимодействовать с белковыми рецепторами на хозяине, тем самым влияя на передачу сигнала внутри клетки. Изменения в передаче сигнала благоприятны для бактерий, поскольку эти изменения создают условия, при которых патоген может проникнуть. Многие патогены имеют системы секреции типа III , которые могут напрямую вводить белковые токсины в клетки-хозяева. Эти токсины в конечном итоге приводят к перестройке цитоскелета и проникновению бактерий. [11]

Болезнь

Взаимодействие клеток высокоспецифично и строго регулируется. Генетические дефекты и нарушение регуляции этих взаимодействий могут вызывать множество различных заболеваний. Нарушение регуляции, которое приводит к миграции лейкоцитов в здоровые ткани, может вызывать такие состояния, как острый респираторный дистресс-синдром и некоторые типы артрита . [12] Аутоиммунное заболевание пузырчатка обыкновенная возникает из-за аутоантител к десмоглеину и другим нормальным белкам организма. Аутоантитела нарушают адгезию между эпителиальными клетками. Это вызывает волдыри на коже и слизистых оболочках. Мутации в генах коннексина вызывают 8 заболеваний человека, включая пороки сердца и нейросенсорную глухоту. [1]

Ссылки

  1. ^ abcdefgh Харви Лодиш (2008). Молекулярная клеточная биология (6-е, [2-е издание] изд.). Нью-Йорк [ua]: Freeman. ISBN 9780716776017.
  2. ^ Хаусман, Джеффри М. Купер, Роберт Э. (2009). Клетка: молекулярный подход (5-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 978-0-87893-300-6.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ ab Suzuki T (февраль 2013 г.). «Регуляция проницаемости кишечного эпителия плотными контактами». Cell. Mol. Life Sci . 70 (4): 631– 59. doi :10.1007/s00018-012-1070-x. PMC 11113843. PMID 22782113.  S2CID 16512214  . 
  4. ^ Dubash, AD; Green, KJ (26 июля 2011 г.). «Десмосомы». Current Biology . 21 (14): R529–31. doi : 10.1016/j.cub.2011.04.035 . PMID  21783027.
  5. ^ Мюррей П. Пендарвис; Мадер, Сильвия С. (2007). Биология . Бостон: McGraw-Hill Higher Education. ISBN 978-0-07-246463-4.
  6. ^ Wu H, Xiong WC, Mei L (апрель 2010 г.). «Построение синапса: сигнальные пути в сборке нервно-мышечных соединений». Development . 137 (7): 1017– 33. doi :10.1242/dev.038711. PMC 2835321 . PMID  20215342. 
  7. ^ Брюс Альбертс (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк [ua]: Garland. ISBN 0-8153-4072-9.
  8. ^ Энгельманн Б., Массберг С. (январь 2013 г.). «Тромбоз как внутрисосудистый эффектор врожденного иммунитета». Nat. Rev. Immunol . 13 (1): 34– 45. doi :10.1038/nri3345. PMID  23222502. S2CID  11170987.
  9. ^ Волошин СА, Капрельянц АС (ноябрь 2004). "Взаимодействие клеток в бактериальных популяциях". Biochemistry Mosc . 69 (11): 1268– 75. doi :10.1007/s10541-005-0072-9. PMID  15627380. S2CID  28468434.
  10. ^ Мэр, Р.; Кармона-Фонтейн, К. (июнь 2010 г.). «Сохранение связи с контактным торможением локомоции». Тенденции в клеточной биологии . 20 (6): 319–28 . doi :10.1016/j.tcb.2010.03.005. PMC 2927909. PMID  20399659 . 
  11. ^ Lu L, Walker WA (июнь 2001 г.). «Патологические и физиологические взаимодействия бактерий с эпителием желудочно-кишечного тракта». Am. J. Clin. Nutr . 73 (6): 1124S – 1130S . doi : 10.1093/ajcn/73.6.1124S . PMID  11393190.
  12. ^ Burdick MM, McCarty OJ, Jadhav S, Konstantopoulos K (2001). «Межклеточные взаимодействия при воспалении и метастазах рака». IEEE Eng Med Biol Mag . 20 (3): 86–91 . doi :10.1109/51.932731. PMID  11446216. S2CID  30311802.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cell–cell_interaction&oldid=1272852900"