Контактное торможение - Contact inhibition

В клеточная биология, контактное торможение относится к двум различным, но тесно связанным явлениям: контактное торможение передвижения (CIL) и контактное торможение распространения (CIP). CIL относится к поведению избегания, демонстрируемому фибробласт -подобно клетки при контакте друг с другом.[1] В большинстве случаев, когда две клетки контактируют друг с другом, они пытаются изменить свое движение в другом направлении, чтобы избежать столкновения в будущем. Когда столкновение неизбежно, возникает другое явление, при котором рост клеток самой культуры в конечном итоге останавливается в зависимости от плотности клеток.[2] Оба типа контактного торможения являются хорошо известными свойствами нормальных клеток и вносят вклад в регулирование правильного роста, дифференциации и развития тканей. Стоит отметить, что оба типа регуляции обычно сводятся на нет и преодолеваются во время органогенеза во время эмбрионального развития и заживления тканей и ран. Тем не менее, контактное торможение передвижения и пролиферация аберрантно отсутствуют у рак клеток, и отсутствие этой регуляции способствует туморогенез.[3]

Механизм

Контактное ингибирование - это регуляторный механизм, который удерживает клетки в слое толщиной в одну клетку (монослой). Если в клетке достаточно свободного пространства для субстрата, она быстро размножается и свободно перемещается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока клетки не займут весь субстрат. На этом этапе нормальные клетки перестанут реплицироваться.

Когда подвижные клетки вступают в контакт в сливаться культур, они демонстрируют пониженную подвижность и митотический активность с течением времени.[4] Было показано, что между колониями, контактирующими в течение многих дней, происходит экспоненциальный рост, при этом подавление митотической активности происходит намного позже. Эта задержка между межклеточным контактом и началом ингибирования пролиферации сокращается по мере того, как культура становится более конфлюэнтной. Таким образом, можно сделать разумный вывод, что контакт клетки с клеткой является важным условием контактного ингибирования пролиферации, но сам по себе недостаточен для митотического ингибирования. В дополнение к контакту с другими клетками, клетки с ингибированным контактом также должны быть вынуждены уменьшить площадь своей клетки под действием механического напряжения и ограничений, налагаемых окружающими клетками.[5] Действительно, было высказано предположение, что механическое напряжение действует как тормозящий сигнал для митоза.[6] Более того, важно отметить, что такое подавление митотической активности является локальным явлением; это происходит между несколькими избранными клетками в вероятной гетерогенной культуре.

Роль в раке

Нетрансформированные человеческие клетки демонстрируют нормальное клеточное поведение и опосредуют их рост и пролиферацию посредством взаимодействия между питательными веществами окружающей среды, передачей сигналов фактора роста и плотностью клеток. Когда плотность клеток увеличивается и культура становится конфлюэнтной, они инициируют остановку клеточного цикла и подавляют пролиферацию и сигнальные пути митогенов независимо от внешних факторов или клеточного метаболизма.[7] Это свойство известно как контактное ингибирование пролиферации и важно для правильного эмбрионального развития, а также восстановления, дифференциации и морфогенеза тканей. Раковые клетки обычно теряют это свойство и, таким образом, бесконтрольно делятся и разрастаются друг над другом, даже когда они находятся в контакте с соседними клетками. Это приводит к вторжению в окружающие ткани, их метастазированию в близлежащие органы и, в конечном итоге, к онкогенезу. Ячейки голый землекоп, виды, у которых никогда не наблюдалось рака, проявляют гиперчувствительность к контактному торможению.[8] Это открытие может дать ключ к разгадке устойчивости к раку. Более того, недавние исследования дополнительно выявили некоторые механизмы контактного ингибирования пролиферации и его потенциальное значение в терапии рака.

Более того, было показано, что образование клеточной адгезии не только ограничивает рост и пролиферацию, накладывая физические ограничения, такие как площадь клетки, но также запуская сигнальные пути, которые подавляют пролиферацию. Одним из таких путей является сигнальный путь Hippo-YAP, который в значительной степени отвечает за ингибирование роста клеток у млекопитающих. Этот путь состоит в первую очередь из каскада фосфорилирования с участием серинкиназ и опосредуется регуляторными белками, которые регулируют рост клеток путем связывания с генами, контролирующими рост.[9] Серин / треонинкиназа Hippo (Mst1 / Mst2 у млекопитающих) активирует вторичную киназу (Lats1 / Lats2), которая фосфорилирует YAP, активатор транскрипции генов роста. Фосфорилирование YAP служит для экспорта его из ядра и предотвращения активации генов, способствующих росту; вот как путь Hippo-YAP подавляет рост клеток.[10] Что еще более важно, путь Hippo-YAP использует вышестоящие элементы, чтобы действовать в ответ на контакт клетки и контролировать зависящее от плотности ингибирование пролиферации. Например, кадгерины представляют собой трансмембранные белки, которые образуют клеточные соединения посредством гомофильного связывания.[11] и таким образом действуют как детекторы контакта ячейка-ячейка. Кадгерин-опосредованная активация ингибирующего пути включает трансмембранный E-кадгерин, образующий гомофильную связь для активации α- и β-катенинов, которые затем стимулируют нижестоящие компоненты пути Hippo-YAP, чтобы в конечном итоге подавить рост клеток.[12] Это согласуется с открытием, что сверхэкспрессия E-cadherin препятствует метастазированию и онкогенезу.[13] Поскольку показано, что YAP связан с передачей сигналов митогенного фактора роста и, следовательно, с пролиферацией клеток, вполне вероятно, что будущие исследования будут сосредоточены на роли пути Hippo-YAP в раковых клетках.

Однако важно отметить, что клетки с контактным ингибированием подвергаются остановке клеточного цикла, но не стареют. Фактически, было показано, что клетки с контактным ингибированием возобновляют нормальную пролиферацию и передачу сигналов митогена после повторного посева в менее конфлюэнтную культуру. Таким образом, контактное ингибирование пролиферации можно рассматривать как обратимую форму остановки клеточного цикла. Более того, для перехода от остановки клеточного цикла к старению клетки с контактным ингибированием должны активировать пути активации роста, такие как mTOR.[14] Как только клетки в культурах с высокой плотностью становятся сливающимися настолько, что площадь клеток падает ниже критического значения,[15] адгезионные образования запускают пути, которые подавляют передачу сигналов митогена и пролиферацию клеток.[16] Таким образом, стимулирующий рост путь mTOR ингибируется, и, следовательно, клетки с ингибированным контактом не могут перейти от остановки клеточного цикла к старению. Это имеет решающее значение в терапии рака; даже несмотря на то, что раковые клетки не ингибируются контактом, слившиеся культуры раковых клеток по-прежнему подавляют свой механизм старения. Таким образом, это может быть правдоподобным объяснением того, почему лекарства от рака, вызывающие старение, неэффективны.[17]

Подвижность клеток

В большинстве случаев, когда две ячейки сталкиваются, они пытаются двигаться в другом направлении, чтобы избежать столкновений в будущем; такое поведение известно как контактное торможение передвижения.[18] Когда две клетки соприкасаются, их двигательный процесс парализуется. Это достигается с помощью многоступенчатого, многогранного механизма, который включает образование адгезионного комплекса клетка-клетка при столкновении. Считается, что разборка этого комплекса во многом была вызвана напряжение в ячейках и в конечном итоге приводит к изменению направления сталкивающихся ячеек.

Во-первых, подвижные клетки сталкиваются и соприкасаются через соответствующие ламели, чей актин демонстрируют высокий ретроградный поток. Между ламелями образуется клеточная адгезия, снижающая ретроградную скорость потока актинов в области, непосредственно окружающей адгезию. Следовательно, скорость и подвижность клеток снижаются. Затем это позволяет актиновым стрессовым волокнам и микротрубочки сформировать и согласовать друг с другом в обоих сталкивающихся партнерах. Выравнивание этих напряженных волокон локально приводит к накоплению упругого напряжения в ламелях. В конце концов, нарастание напряжения становится слишком большим, и комплекс клеточной адгезии диссоциирует, разрушает выступы ламелей и высвобождает клетки в разных направлениях, чтобы уменьшить упругое напряжение. Возможным альтернативным событием, которое также приводит к диссоциации сборки, является то, что при выравнивании напряженных волокон передние края ячеек реполяризуются от смежных ламелей. Это создает значительное упругое напряжение по всему телу клеток, не только на месте контакта, а также вызывает разборку адгезионного комплекса.[19] Считалось, что упругое натяжение является основной движущей силой выступ коллапс, сложная разборка и разлет ячеек.[20] Хотя это гипотетическое напряжение было охарактеризовано и визуализировано,[21] вопрос о том, как возникает напряжение в ламеллах и как реполяризация клеток способствует нарастанию напряжения, остается открытым.

Кроме того, поскольку репликация увеличивает количество ячеек, количество направлений, в которых эти ячейки могут двигаться, не касаясь друг друга, уменьшается.[22] Клетки также будут пытаться отойти от другой клетки, потому что они лучше прилипают к области вокруг них, структуре, называемой субстратом, чем к другим клеткам. Когда две сталкивающиеся ячейки представляют собой ячейки разных типов, одна или обе могут реагировать на столкновение.[23]

Немного увековеченные клеточные линии Несмотря на то, что они способны бесконечно размножаться, они все еще испытывают контактное торможение, хотя обычно в меньшей степени, чем нормальные клеточные линии.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аберкромби, М. (сентябрь 1970 г.). «Контактное ингибирование в культуре ткани». In vitro. 6 (2): 128–142. Дои:10.1007 / BF02616114. PMID  4943054.
  2. ^ Стокер, М. (1967). «Зависимое от плотности ингибирование роста клеток в культуре». Природа. 215 (5097): 171–172. Bibcode:1967Натура.215..171С. Дои:10.1038 / 215171a0. PMID  6049107.
  3. ^ Hanahan, D .; Вайнберг, Р. (7 января 2000 г.). «Признаки рака» (PDF). Клетка. 100 (1): 57–70. Дои:10.1016 / s0092-8674 (00) 81683-9. PMID  10647931. Получено 11 ноября 2016.
  4. ^ Wieser, R.J .; Ош, Ф. (август 1986 г.). "Контактное ингибирование роста диплоидных фибробластов человека иммобилизованными гликопротеинами плазматической мембраны". Журнал клеточной биологии. 103 (2): 361–367. Дои:10.1083 / jcb.103.2.361. ЧВК  2113841. PMID  3733871.
  5. ^ Nelson, C.M .; Чен, К.С. (март 2002 г.). «Передача сигналов между клетками посредством прямого контакта увеличивает пролиферацию клеток через PI3K-зависимый сигнал». Письма FEBS. 514 (2–3): 238–242. Дои:10.1016 / s0014-5793 (02) 02370-0. PMID  11943158.
  6. ^ Шрайман, Б. (июль 2004 г.). «Механическая обратная связь как возможный регулятор роста тканей». Труды Национальной академии наук. 102 (9): 3318–3323. Дои:10.1073 / pnas.0404782102. ЧВК  552900. PMID  15728365.
  7. ^ Levine, E .; Беккер, Ю. (февраль 1965 г.). «Контактное ингибирование, макромолекулярный синтез и полирибосомы в культивируемых диплоидных фибробластах человека». Труды Национальной академии наук. 53 (2): 350–356. Bibcode:1965ПНАС ... 53..350Л. Дои:10.1073 / пнас.53.2.350. ЧВК  219519. PMID  14294068.
  8. ^ Селуанов, Андрей; Хайн, Кристофер; Азпуруа, Хорхе; Фейгенсон, Марина; Боззелла, Майкл; Мао, Чжиюн; Catania, Kenneth C .; Горбунова, Вера (26 октября 2009 г.). «Повышенная чувствительность к контактному торможению - ключ к разгадке устойчивости голого землекопа к раку». Труды Национальной академии наук. 106 (46): 19352–19357. Bibcode:2009PNAS..10619352S. Дои:10.1073 / pnas.0905252106. ЧВК  2780760. PMID  19858485.
  9. ^ Ю, Ф .; Гуань, К. (2013). «Путь бегемота: регуляторы и правила». Гены и развитие. 27 (4): 355–371. Дои:10.1101 / gad.210773.112. ЧВК  3589553. PMID  23431053.
  10. ^ Gumbiner, B .; Ким, Н. (2014). «Путь передачи сигналов Hippo-YAP и контактное ингибирование роста». Журнал клеточной науки. 127 (4): 709–717. Дои:10.1242 / jcs.140103. ЧВК  3924201. PMID  24532814.
  11. ^ Gumbiner, B .; Стивенсон, Б. (октябрь 1988 г.). «Роль молекулы клеточной адгезии увоморулин в формировании и поддержании эпителиального соединительного комплекса». Журнал клеточной биологии. 107 (4): 1575–1587. Дои:10.1083 / jcb.107.4.1575. ЧВК  2115263. PMID  3049625.
  12. ^ Нам-Гюн, К .; Ко, Э. (июль 2011 г.). «E-кадгерин опосредует контактное ингибирование пролиферации через компоненты сигнального пути Hippo». Труды Национальной академии наук. 108 (29): 11930–11935. Bibcode:2011ПНАС..10811930К. Дои:10.1073 / pnas.1103345108. ЧВК  3141988. PMID  21730131.
  13. ^ Gottardi, C .; Вонг, Э. (май 2001 г.). «E-кадгерин подавляет клеточную трансформацию путем ингибирования передачи сигналов β-катенина независимым от адгезии способом». Журнал клеточной биологии. 153 (5): 1049–1060. Дои:10.1083 / jcb.153.5.1049. ЧВК  2174337. PMID  11381089.
  14. ^ Леонтьева, О .; Благосклонный, М. (декабрь 2010). «Повреждающие ДНК агенты и p53 не вызывают старения в покоящихся клетках, в то время как последовательная реактивация mTOR связана с преобразованием в старение». Старение. 2 (12): 924–935. Дои:10.18632 / старение.100265. ЧВК  3034181. PMID  21212465.
  15. ^ Puliafito, A .; Hufnagel, L. (ноябрь 2011 г.). «Коллективное и одноклеточное поведение при ингибировании эпителиального контакта». Труды Национальной академии наук. 109 (3): 739–744. arXiv:1112.0465. Дои:10.1073 / pnas.1007809109. ЧВК  3271933. PMID  22228306.
  16. ^ Стокер, М. (1967). «Зависимое от плотности ингибирование роста клеток в культуре». Природа. 215 (5097): 171–172. Bibcode:1967Натура.215..171С. Дои:10.1038 / 215171a0. PMID  6049107.
  17. ^ Леонтьева, О .; Демиденко, З. (июнь 2014 г.). «Контактное ингибирование и высокая плотность клеток дезактивируют мишень рапамицинового пути у млекопитающих, подавляя, таким образом, программу старения». Труды Национальной академии наук. 111 (24): 8832–8837. Bibcode:2014ПНАС..111.8832Л. Дои:10.1073 / pnas.1405723111. ЧВК  4066505. PMID  24889617.
  18. ^ Белл, П. (февраль 1978 г.). «Контактное торможение движений в трансформированных и нетрансформированных клетках». Врожденные дефекты. Серия оригинальных статей. 14 (2): 177–194. PMID  346078.
  19. ^ Roycroft, A .; Мэр Р. (июль 2015 г.). «Принудительное контактное торможение передвижения». Тенденции в клеточной биологии. 25 (7): 373–375. Дои:10.1016 / j.tcb.2015.05.001. ЧВК  4509518. PMID  25981318.
  20. ^ Abercombie, M .; Хейсман Дж. (1953). «Наблюдения за социальным поведением клеток в тканевой культуре: I. Скорость движения фибробластов сердца цыплят относительно их взаимных контактов». Клетка. 5 (1): 111–131. Дои:10.1016/0014-4827(53)90098-6. PMID  13083622.
  21. ^ Дэвис, J.R .; Лучичи, А. (апрель 2015 г.). «Межклеточные силы организуют контактное торможение передвижения». Клетка. 161 (2): 361–363. Дои:10.1016 / j.cell.2015.02.015. ЧВК  4398973. PMID  25799385.
  22. ^ Weiser, R.J .; Дорис Ренауэр (1985). «Участие гликопротеинов плазматической мембраны в контакт-зависимом ингибировании роста фибробластов человека». Экспериментальные исследования клеток. 158 (2): 493–499. Дои:10.1016/0014-4827(85)90472-0. PMID  3924641.
  23. ^ Лаки, Джон М. Словарь по клеточной и молекулярной биологии, третье издание. Академическая пресса.
  24. ^ Аберкромби, М. (27 сентября 1979 г.). «Контактное торможение и злокачественность». Природа. 281 (5729): 259–262. Bibcode:1979Натура.281..259А. Дои:10.1038 / 281259a0. PMID  551275.