Механотрансдукция - Википедия - Mechanotransduction

Смотрите также: Механочувствительность

Механотрансдукция (механо + трансдукция ) является любой из различных механизмы по которому клетки конвертировать механический стимул в электрохимический Мероприятия.[1][2][3][4] Эта форма сенсорная трансдукция отвечает за ряд чувства и физиологический процессы в организме, в том числе проприоцепция, трогать,[5] баланс, и слушание.[6][7][8] Основной механизм механотрансдукции включает преобразование механических сигналов в электрические или химические сигналы.

Немного биологические машины

В этом процессе механически управляемый ионный канал позволяет звуку, давлению или движению вызывать изменение возбудимости специализированных сенсорных клеток и сенсорные нейроны.[9] Стимуляция механорецептор вызывает механически чувствительные ионные каналы открывать и производить ток трансдукции, который изменяет мембранный потенциал клетки.[10] Обычно механический стимул фильтруется в транспортирующей среде до того, как достигнет места механотрансдукции.[11] Клеточные реакции на механотрансдукцию разнообразны и вызывают множество изменений и ощущений. Более широкие проблемы включают молекулярные биомеханика.

Одномолекулярные биомеханические исследования белков и ДНК, а также механохимическое связывание в молекулярные моторы продемонстрировали критическую важность молекулярной механики как нового рубежа в биоинженерия и науки о жизни. Белковые домены, связанные внутренне неупорядоченными гибкий компоновщик домены, вызывают дальнодействие аллостерия через динамика домена белка Результирующие динамические режимы не могут быть предсказаны на основе статических структур всего белка или отдельных доменов. Однако они могут быть выведены путем сравнения различных структур белка (как в База данных молекулярных движений ). Они также могут быть предложены путем отбора проб в обширных траекториях молекулярной динамики.[12] и анализ главных компонентов,[13] или их можно непосредственно наблюдать с помощью спектров[14][15]измеряется нейтронное спиновое эхо спектроскопия. Текущие результаты показывают, что канал механотрансдукции в волосковых клетках представляет собой сложный комплекс. биологическая машина. Механотрансдукция также включает использование химической энергии для выполнения механической работы.[16]

Ухо

Один из таких механизмов - открытие ионные каналы в волосковые клетки из улитка во внутреннем ухе.

Изменения давления воздуха в слуховом проходе вызывают вибрацию барабанная перепонка и косточки среднего уха. В конце цепочки слуховых косточек движение подошвы стремени в пределах овальное окно улитки, в свою очередь, создает поле давления внутри улитковой жидкости, создавая перепад давления в базилярная мембрана. Синусоидальная волна давления приводит к локальным колебаниям орган Корти: около основания для высоких частот, около вершины для низких частот. Таким образом, улитка действует как «акустическая призма», распределяя энергию каждого Фурье компонент сложного звука в разных местах вдоль его продольной оси. Волосковые клетки в улитке стимулируются, когда базилярная мембрана движется вверх и вниз за счет разницы в давлении жидкости между scala vestibuli и scala tympani. Поскольку это движение сопровождается движением сдвига между текториальная мембрана и ретикулярная пластинка кортиевого органа пучки волос, связывающие их, отклоняются, что инициирует механо-электрическую трансдукцию. Когда базилярная мембрана движется вверх, сдвиг между волосковыми клетками и текториальной мембраной отклоняет пучки волос в возбуждающем направлении к их высокому краю. В середине колебания пучки волос возвращаются в исходное положение. Когда базилярная мембрана движется вниз, пучки волос движутся в тормозном направлении.

Движение базилярной мембраны вызывает сдвигающее движение между ретикулярной пластиной и текториальной мембраной, тем самым активируя механо-сенсорный аппарат пучка волос, который, в свою очередь, вызывает рецепторный потенциал в волосковых клетках.[нужна цитата ]

Таким образом, волна звукового давления преобразуется в электрический сигнал, который может обрабатываться как звук в более высоких частях тела. слуховая система.[нужна цитата ]

Скелетные мышцы

Когда на мышцу накладывается деформация, изменения клеточных и молекулярных конформаций связывают механические силы с биохимическими сигналами, и тесная интеграция механических сигналов с электрическими, метаболическими и гормональными сигналами может замаскировать аспект реакции, специфичный для механические силы.[17]

Хрящ

Канал с механическим закрытием

Одна из основных механических функций суставного хрящ должна действовать как несущая поверхность с низким коэффициентом трения. Благодаря уникальному расположению на суставных поверхностях суставной хрящ испытывает ряд статических и динамических сил, включая сдвиг, сжатие и растяжение. Эти механические нагрузки поглощаются хрящом. внеклеточный матрикс (ECM), где они впоследствии рассеиваются и передаются на хондроциты (хрящевые клетки).

Хрящ испытывает силы растяжения, сжатия и сдвига in vivo.

Хондроциты воспринимают и преобразуют механические сигналы, которые они получают, в биохимические сигналы, которые впоследствии направляют и опосредуют оба анаболический (построение матрицы) и катаболический (деградация матрицы) процессы. Эти процессы включают синтез матричных белков (коллаген II типа и протеогликаны ), протеазы, ингибиторы протеаз, факторы транскрипции, цитокины и факторы роста.[18][19]

Баланс, достигнутый между анаболический и катаболический процессы сильно зависят от типа нагрузки, которую испытывает хрящ. Высокие скорости деформации (например, возникающие при ударной нагрузке) вызывают повреждение, деградацию тканей, снижение производства матрикса и апоптоз.[20][21] Снижение механической нагрузки в течение длительного периода, например, при длительном постельном режиме, вызывает потерю производства матрицы.[22] Было показано, что статические нагрузки вредны для биосинтеза.[23] в то время как колебательные нагрузки на низких частотах (аналогичные нормальной ходьбе), как было показано, полезны для поддержания здоровья и увеличения синтеза матрикса.[24] Из-за сложности условий загрузки in vivo и взаимодействия других механических и биохимических факторов вопрос о том, какой может быть оптимальный режим загрузки или существует ли он, остается без ответа.

Хотя исследования показали, что, как и большинство биологических тканей, хрящ способен к механотрансдукции, точные механизмы, с помощью которых это происходит, остаются неизвестными. Однако существует несколько гипотез, которые начинаются с выявления механорецепторы.[нужна цитата ]

Чтобы воспринимать механические сигналы, на поверхности хондроцитов должны быть механорецепторы. Кандидаты в механорецепторы хондроцитов включают: ионные каналы, активируемые растяжением (SAC),[25] рецептор гиалуроновой кислоты CD44, аннексин V (рецептор коллагена типа II),[26] и интегрин рецепторы (которых на хондроцитах существует несколько типов).

Механорецепторы на поверхности хондроцитов включают CD44, аннексин V и интегрины. Компоненты внеклеточного матрикса хондроцитов включают коллагены, протеогликаны (которые состоят из аггрекана и гиалуронана), фибронектин и COMP.

На примере связанного с интегрином пути механотрансдукции (который является одним из наиболее изученных путей) было показано, что он опосредует адгезию хондроцитов к поверхностям хряща,[27] опосредовать сигнализацию выживания[28] и регулировать производство и деградацию матрицы.[29]

Рецепторы интегринов имеют внеклеточный домен, который связывается с белками ЕСМ (коллагеном, фибронектин, ламинин, витронектин и остеопонтин ) и цитоплазматический домен, который взаимодействует с внутриклеточными сигнальными молекулами. Когда рецептор интегрина связывается со своим лигандом ECM и активируется, дополнительные интегрины группируются вокруг активированного сайта. Кроме того, киназы (например., киназа фокальной адгезии, ФАК) и адаптерные белки (например., паксиллин, Пакс, талин, Таль и Shc ) набираются в этот кластер, который называется очаговая адгезия комплекс (КВС). Активация этих молекул FAC, в свою очередь, запускает нисходящие события, которые активируют и / или подавляют внутриклеточные процессы, такие как активация факторов транскрипции и регуляция генов, приводящие к апоптозу или дифференцировке.[нужна цитата ]

Помимо связывания с лигандами ЕСМ, интегрины также восприимчивы к автокринный и паракринный такие сигналы, как факторы роста в TGF-бета семья. Было показано, что хондроциты секретируют TGF-b и активируют рецепторы TGF-b в ответ на механическую стимуляцию; эта секреция может быть механизмом усиления аутокринного сигнала в ткани.[30]

Передача сигналов интегрина - это лишь один пример множества путей, которые активируются при нагрузке на хрящ. Некоторые внутриклеточные процессы, которые наблюдались в этих путях, включают фосфорилирование ERK1 / 2, p38 MAPK и SAPK / ERK-киназу-1 (SEK-1) пути JNK.[31] а также изменения в уровнях цАМФ, реорганизация актина и изменения в экспрессии генов, которые регулируют содержание ECM хряща.[32]

Более поздние исследования выдвинули гипотезу о том, что первичные хондроциты ресничка действуют как механорецептор клетки, передавая силы из внеклеточного матрикса в клетку. У каждого хондроцита есть одна ресничка, и предполагается, что он передает механические сигналы путем изгибания в ответ на нагрузку ECM. Интегрины были идентифицированы на верхнем стержне реснички, действуя как якоря к коллагеновой матрице вокруг нее.[33] Недавние исследования, опубликованные Wann и другие. в FASEB Journal впервые продемонстрировали, что первичные реснички необходимы для механотрансдукции хондроцитов. Хондроциты, полученные от мышей с мутантом IFT88, не экспрессировали первичных ресничек и не проявляли характерной механочувствительной регуляции синтеза протеогликанов, наблюдаемой в клетках дикого типа.[34]

Важно исследовать пути механотрансдукции в хондроцитах, поскольку условия механической нагрузки, которые представляют чрезмерную или травмирующую реакцию, активируют синтетическую активность и усиливают каскады катаболических сигналов с участием таких медиаторов, как NO и MMP. Кроме того, исследования Chowdhury TT и Agarwal S показали, что механическая нагрузка, которая представляет собой физиологические условия нагрузки, блокирует выработку катаболических медиаторов (iNOS, COX-2, NO, PGE2), индуцированную воспалительными цитокинами (IL-1), и восстанавливает анаболический виды деятельности. Таким образом, улучшенное понимание взаимодействия биомеханики и клеточной передачи сигналов поможет разработать терапевтические методы для блокирования катаболических компонентов пути механотрансдукции. Следовательно, для поддержания здоровья и жизнеспособности хряща необходимо лучшее понимание оптимальных уровней механических сил in vivo, можно разработать профилактические методы для предотвращения деградации хряща и заболеваний.[нужна цитата ]

Рекомендации

  1. ^ Бисвас, Абхиджит; Manivannan, M .; Шринивасан, Мандьям А. (2015). «Порог вибротактильной чувствительности: нелинейная стохастическая механотрансдукционная модель пачинианской корпускулы». Транзакции IEEE по тактильности. 8 (1): 102–113. Дои:10.1109 / TOH.2014.2369422. PMID  25398183.
  2. ^ Кацуми, А .; Орр, AW; Цима, Э; Шварц, Массачусетс (2003). «Интегрины в механотрансдукции». Журнал биологической химии. 279 (13): 12001–4. Дои:10.1074 / jbc.R300038200. PMID  14960578.
  3. ^ Qin, Y .; Цинь, Y; Лю, Дж; Тэнсуэлл, AK; Пост, М. (1996). «Механическое напряжение индуцирует активацию pp60src и перемещение в цитоскелет в клетках легких плода крысы». Журнал биологической химии. 271 (12): 7066–71. Дои:10.1074 / jbc.271.12.7066. PMID  8636139.
  4. ^ Бидхенди, Амир Дж; Альтартури, Бара; Gosselin, Frédérick P .; Гайтманн, Аня (2019). «Механический стресс инициирует и поддерживает морфогенез эпидермальных клеток волнистых листьев». Отчеты по ячейкам. 28 (5): 1237–1250. Дои:10.1016 / j.celrep.2019.07.006. PMID  31365867.
  5. ^ Бисвас, Абхиджит; Manivannan, M .; Шринивасан, Мандьям А. (2014). «Нелинейная двухэтапная модель механотрансдукции и нейронный ответ тельца Пачиниана». Конференция Центра биомедицинских наук и инженерии (ЧЭС), Ежегодная Национальная лаборатория Окриджа, 2014 г.. США: IEEE. С. 1–4. Дои:10.1109 / BSEC.2014.6867740.
  6. ^ Тавернаракис, Нектариос; Дрисколл, Моника (1997). "Молекулярное моделирование механотрансдукции у нематоды Caenorhabditis elegans". Ежегодный обзор физиологии. 59: 659–89. Дои:10.1146 / annurev.physiol.59.1.659. PMID  9074782.
  7. ^ Ховард, Дж; Робертс, W M; Хадспет, А. Дж. (1988). «Механоэлектрическая трансдукция волосковыми клетками». Ежегодный обзор биофизики и биофизической химии. 17: 99–124. Дои:10.1146 / annurev.bb.17.060188.000531. PMID  3293600.
  8. ^ Хакни, CM; Фернесс, Д. Н. (1995). «Механотрансдукция в волосковых клетках позвоночных: структура и функция стереоцилиарного пучка». Американский журнал физиологии. 268 (1, ч. 1): C1–13. Дои:10.1152 / ajpcell.1995.268.1.C1. PMID  7840137.
  9. ^ Гиллеспи, Питер Дж .; Уокер, Ричард Г. (2001). «Молекулярные основы механосенсорной трансдукции». Природа. 413 (6852): 194–202. Дои:10.1038/35093011. PMID  11557988.
  10. ^ Григг, П. (1986). «Биофизические исследования механорецепторов». Журнал прикладной физиологии. 60 (4): 1107–15. Дои:10.1152 / jappl.1986.60.4.1107. PMID  2422151.
  11. ^ Бисвас, Абхиджит; Manivannan, M .; Шринивасан, Мандьям А. (2015). "Многомасштабная слоистая биомеханическая модель тельца Пачинии". Транзакции IEEE по тактильности. 8 (1): 31–42. Дои:10.1109 / TOH.2014.2369416. PMID  25398182.
  12. ^ Potestio R, Pontiggia F, Micheletti C (июнь 2009 г.). «Грубое описание внутренней динамики белков: оптимальная стратегия разложения белков на жесткие субъединицы». Биофизический журнал. 96 (12): 4993–5002. Bibcode:2009BpJ .... 96.4993P. Дои:10.1016 / j.bpj.2009.03.051. ЧВК  2712024. PMID  19527659.
  13. ^ Барон Р., Веллор Н.А. (июль 2012 г.). «LSD1 / CoREST - это аллостерический наноразмерный зажим, регулируемый молекулярным распознаванием H3-гистонового хвоста». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (31): 12509–14. Bibcode:2012PNAS..10912509B. Дои:10.1073 / pnas.1207892109. ЧВК  3411975. PMID  22802671.
  14. ^ Фараго Б., Ли Дж., Корнилеску Дж., Каллавей Д. Д., Бу Зи (ноябрь 2010 г.). «Активация наноразмерного движения аллостерических белковых доменов, обнаруженная с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха». Биофизический журнал. 99 (10): 3473–3482. Bibcode:2010BpJ .... 99.3473F. Дои:10.1016 / j.bpj.2010.09.058. ЧВК  2980739. PMID  21081097.
  15. ^ Bu Z, Biehl R, Monkenbusch M, Richter D, Callaway DJ (декабрь 2005 г.). «Движение связанного белкового домена в полимеразе Taq обнаружено с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 102 (49): 17646–17651. Bibcode:2005PNAS..10217646B. Дои:10.1073 / pnas.0503388102. ЧВК  1345721. PMID  16306270.
  16. ^ Накано, Тадаши; Экфорд, Эндрю В .; Харагути, Токуко (12 сентября 2013 г.). Молекулярная коммуникация. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1-107-02308-6.
  17. ^ Буркхолдер, Т.Дж. (2007). «Механотрансдукция в скелетных мышцах». Границы биологических наук. 12: 174–91. Дои:10.2741/2057. ЧВК  2043154. PMID  17127292.
  18. ^ Fitzgerald, J. B .; Джин, М; Дин, D; Вуд, диджей; Чжэн, MH; Гродзинский, AJ (2004). «Механическое сжатие хрящевых эксплантатов вызывает множественные зависящие от времени паттерны экспрессии генов и вовлекает внутриклеточный кальций и циклический АМФ». Журнал биологической химии. 279 (19): 19502–11. Дои:10.1074 / jbc.M400437200. PMID  14960571.
  19. ^ Fitzgerald, J. B .; Джин, М; Гродзинский, AJ (2006). «Сдвиг и сжатие по-разному регулируют кластеры функционально связанных паттернов временной транскрипции в хрящевой ткани». Журнал биологической химии. 281 (34): 24095–103. Дои:10.1074 / jbc.M510858200. PMID  16782710.
  20. ^ Курц, Бодо; Джин, Moonsoo; Патвари, Парт; Ченг, Дебби М .; Жаворонок, Майкл В .; Гродзинский, Алан Дж. (2001). «Биосинтетический ответ и механические свойства суставного хряща после травматического сжатия». Журнал ортопедических исследований. 19 (6): 1140–6. Дои:10.1016 / S0736-0266 (01) 00033-X. PMID  11781016.
  21. ^ Loening, A; Джеймс, IE; Левенстон, Мэн; Барсук, AM; Франк, EH; Курц, Б; Nuttall, ME; Hung, HH; Блейк, С.М. (2000). «Повреждающее механическое сжатие суставного хряща крупного рогатого скота вызывает апоптоз хондроцитов». Архивы биохимии и биофизики. 381 (2): 205–12. Дои:10.1006 / abbi.2000.1988. PMID  11032407.
  22. ^ Беренс, Фред; Kraft, Ellen L .; Oegema, Теодор Р. (1989). «Биохимические изменения суставного хряща после иммобилизации сустава гипсовой повязкой или внешней фиксации». Журнал ортопедических исследований. 7 (3): 335–43. Дои:10.1002 / jor.1100070305. PMID  2703926.
  23. ^ Торзилли, П. А .; Дэн, X-H .; Рамчаран, М. (2006). «Влияние деформации сжатия на жизнеспособность клеток в статически нагруженном суставном хряще». Биомеханика и моделирование в механобиологии. 5 (2–3): 123–32. Дои:10.1007 / s10237-006-0030-5. PMID  16506016.
  24. ^ Sah, Роберт Л.-Й .; Ким, Ён-Джо; Doong, Joe-Yuan H .; Гродзинский, Алан Дж .; Plass, Anna H.K .; Сэнди, Джон Д. (1989). «Биосинтетический ответ эксплантатов хряща на динамическое сжатие». Журнал ортопедических исследований. 7 (5): 619–36. Дои:10.1002 / jor.1100070502. PMID  2760736.
  25. ^ Mouw, J. K .; Imler, S.M .; Левенстон, М. Э. (2006). «Ионно-канальная регуляция синтеза хондроцитарной матрицы в 3D-культуре при статическом и динамическом сжатии». Биомеханика и моделирование в механобиологии. 6 (1–2): 33–41. Дои:10.1007 / s10237-006-0034-1. PMID  16767453.
  26. ^ Von Der Mark, K .; Молленхауэр, Дж. (1997). «Взаимодействие аннексина V с коллагеном». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 53 (6): 539–45. Дои:10.1007 / с000180050069. PMID  9230933.
  27. ^ Куртис, Мелисса С .; Tu, Buu P .; Gaya, Omar A .; Молленхауэр, Юрген; Кнудсон, Уоррен; Loeser, Ричард Ф .; Knudson, Cheryl B .; Сах, Роберт Л. (2001). «Механизмы адгезии хондроцитов к хрящу: роль ²1-интегринов, CD44 и аннексина V». Журнал ортопедических исследований. 19 (6): 1122–30. Дои:10.1016 / S0736-0266 (01) 00051-1. PMID  11781014.
  28. ^ Пулай, Юдит I .; Дель Карло, Марчелло; Лозер, Ричард Ф. (2002). «Интегрин? 5? 1 обеспечивает сигналы выживания матрикса для нормальных и остеоартрозных суставных хондроцитов человека in vitro». Артрит и ревматизм. 46 (6): 1528–35. Дои:10.1002 / арт.10334. PMID  12115183.
  29. ^ Миллуорд – Сэдлер, С. Дж .; Wright, M. O .; Дэвис, Л. У .; Нуки, G .; Солтер, Д. М. (2000). «Механотрансдукция через интегрины и интерлейкин-4 приводит к изменению экспрессии гена аггрекана и матриксной металлопротеиназы 3 в нормальных, но не страдающих остеоартритом, суставных хондроцитах человека». Артрит и ревматизм. 43 (9): 2091–2099. Дои:10.1002 / 1529-0131 (200009) 43: 9 <2091 :: AID-ANR21> 3.0.CO; 2-C.
  30. ^ Millward-Sadler, S.J .; Солтер, Д. М. (2004). «Интегрин-зависимые сигнальные каскады в механотрансдукции хондроцитов». Анналы биомедицинской инженерии. 32 (3): 435–46. Дои:10.1023 / B: ABME.0000017538.72511.48. PMID  15095818.
  31. ^ Fanning, P.J .; Эмки, G; Смит, Р.Дж.; Гродзинский, AJ; Szasz, N; Триппель, SB (2003). «Механическое регулирование передачи сигналов митоген-активируемой протеинкиназы в суставном хряще». Журнал биологической химии. 278 (51): 50940–8. Дои:10.1074 / jbc.M305107200. PMID  12952976.
  32. ^ Урбан, Дж. П. Г. (1994). «Хондроцит: клетка под давлением». Ревматология. 33 (10): 901–908. Дои:10.1093 / ревматология / 33.10.901. PMID  7921748.
  33. ^ McGlashan, S. R .; Дженсен, CG; Пул, Калифорния (2006). «Локализация рецепторов внеклеточного матрикса на первичной ресничке хондроцитов». Журнал гистохимии и цитохимии. 54 (9): 1005–14. Дои:10.1369 / jhc.5A6866.2006. PMID  16651393.
  34. ^ Ванн, AK; Zuo, N; Хейкрафт, CJ; и другие. (Апрель 2012 г.). «Первичные реснички опосредуют механотрансдукцию посредством контроля АТФ-индуцированной передачи сигналов Ca2 + в сжатых хондроцитах». FASEB J. 26: 1663–71. Дои:10.1096 / fj.11-193649. ЧВК  3316893. PMID  22223751.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка