Forças mecânicas e feedbacks na motilidade celular

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Como discutido abaixo, a tensão na membrana de células influencia a dinâmica de contorno e
tem um papel importante como um...
de actina na vanguarda das células rastejando , dando origem a complexas relações de forçavelocidade , que pode ser histór...
As propriedades mecânicas do citoesqueleto e actomiosina sua contratilidade desempenhar
um papel importante na motilidade ...
membrana em toda parte. Assim, para além da sua influência local sobre a dinâmica de
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resumo
Esta avaliação incidiu sobre o papel das forças andfeedbacks mecânicos na motilidade celular .
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Forças mecânicas e feedbacks na motilidade celular

  1. 1. Forças mecânicas e feedbacks na motilidade celular Movimento celular é conduzida por uma montagem de auto-organizado de numerosos polímeros de actina e proteínas acessórias rodeados por uma membrana flexível. Embora a identidade dos componentes moleculares envolvidos é amplamente conhecido, ainda estamos longe de compreender como essa enorme conjunto de moléculas auto-organiza em uma célula móveis dinâmico. Uma grande parte do trabalho no campo tem se concentrado no papel de sinalização bioquímica para estabelecer e manter a organização celular. Mais recentemente, as forças mecânicas e reacções surgiram como contribuinte igualmente importantes para a organização em grande escala de células móveis. Aqui vamos analisar o progresso recente no campo, com foco em processos relacionados com o citoesqueleto de actina e sua interação com a membrana celular introdução Motilidade celular é uma bela manifestação de auto-organização biológica. Uma célula típica contém motilidade ? 109 proteínas actina , assim como uma série de moléculas acessórias e proteínas motoras [ 1] . Estes blocos de construção moleculares auto -organizar-se ao longo de várias ordens de grandeza em ambos os domínios temporais e espaciais de ponte entre a dinâmica rápida de moléculas individuais para o movimento contínuo de células inteiras. Apesar dos progressos significativos na unco - vering os detalhes moleculares do processo de mobilidade [1-3] , os princípios que regem a coordenação em grande escala e polarização do aparelho motilidade ainda não estão wellunderstood . Os resultados recentes enfatizam a importância de forças mecânicas e feedbacks como reguladores da dinâmica celular , e destacar o seu papel central na coordenação em grande escala de comportamento de células móveis [4 ? , 5 ? , 6,7 ? , 8 ?] . Esta revisão enfoca a interação mútua entre forças mecânicas e reações bioquímicas e seu papel na auto- organização de processos de movimento célula subjacente extraordinário. Uma célula móveis é constituído por diversos elementos mecânicos , incluindo o citoesqueleto de actina , o citossol , e a membrana plasmática . O citoesqueleto de actina é uma rede activa de viscoelástico filamentos semi- flexíveis, o que gera forças principalmente por polimerização , e / ou através da actividade de motores de miosina . O citoesqueleto mantém o seu estado de não-equilíbrio químico através do consumo de energia , principalmente através da hidrólise de ATP , o que conduz a actividade de motores de miosina , e permite que as células para manter uma concentração de equilíbrio , longe de monómeros de actina para alimentar o motor de polimerização [1,9 -11 ] . O citoesqueleto é ligado ao substrato por meio de complexos de adesão que facilitam a comunicação mecânica entre a célula e seus arredores. Estas aderências desempenhar um papel central na mechanosensing e mechanotransduction que é revisto em outro lugar ( ver [12,13] ) . A maior parte do volume da célula é feita por citosol fluido. O citoesqueleto porosa está inserida dentro deste fluido viscoso , formando um material poroelástico bifásica [ 14-16 ] . Finalmente , a célula é rodeado por uma membrana deformável fluido fino composto por lipidos e proteínas , o que é tipicamente sob tensão.
  2. 2. Como discutido abaixo, a tensão na membrana de células influencia a dinâmica de contorno e tem um papel importante como um coordenador global do comportamento das células. Feedbacks mecânicos na célula estão presentes em todas as escalas, desde o nível molecular e até a escala celular [12,19,20]. Várias abordagens experimentais foram desenvolvidos para caracterizar esses feedbacks mecânicos, investigar o comportamento da força dependente de processos celulares, e medir as propriedades mecânicas das células e seus constituintes (ver Quadro 1). Aqui nós revemos resultados recentes que destacam a importância de forças mecânicas e gabaritos do processo motilidade [19,20]. Especificamente, vamos examinar como as forças locais de afectar a actividade dos filamentos de actina individualmente e outras proteínas acessórias que cooperativamente determinam as propriedades mecânicas da célula (por exemplo, [22,23,24?]), E como variáveis físicas, tais como a tensão da membrana global de proporcionar acoplamento que coordena as reações bioquímicas em escalas de celulares. Feedbacks mecânicos no citoesqueleto de actina O citoesqueleto de actina é composto por vários filamentos individuais que montam numa variedade de estruturas dinâmicas, em conjunto com diferentes proteínas auxiliares, incluindo agentes de ligação cruzada, proteínas reguladoras e proteínas do motor [1]. No que se segue apresentamos vários mecanismos pelos quais as forças mecânicas podem, directa ou indirectamente influenciam a montagem espácio-temporal e desmontagem dessas estruturas. Em seguida, analisamos a forma como a composição do citoesqueleto e a sua arquitectura moldar as propriedades mecânicas das células e a sua capacidade para gerar forças e deslocar [9]. É importante ressaltar que esses feedbacks entre mecânica e bioquímica facilitar a integração em larga escala da dinâmica do citoesqueleto e são, portanto, essencial para a consecução do movimento das células coerente. Forças mecânicas afectar directamente essencialmente todas as etapas de montagem e desmontagem de rede de actina (Figura 1a). Actina polimerização é inerentemente dependente da força , o crescimento de filamentos de carga oposta irá reduzir a taxa de polimerização [ 11,25-28 ] . Em particular, o crescimento de um filamento de empurrar contra a membrana na ponta de uma célula móveis dependerá da carga imposta pela membrana [4 ? , 5 ? , 6,29 ] . A arquitetura dinâmica da rede é também força -dependente. Por exemplo , foi recentemente mostrado que a curvatura de filamentos de actina polariza o sentido de Arp2 / 3 mediada ramificação (Figura 1a ) 24 ?] . Novos filamentos são nucleadas preferencialmente na face convexa de filamentos curvos , provavelmente devido a um aumento da probabilidade de uma conformação favorável para Arp2 / 3 ligação ali. A nucleação força -dependente e crescimento de filamentos de actina introduzir feedbacks entre a carga de compressão encontrado por uma rede de actina salientes e sua arquitetura , proporcionando mecanismos diretos para encurtar a duração média de empurrar filamentos e aumentando seu número em resposta a cargas mais elevadas. As forças geradas por essas redes são por sua vez, é altamente dependente da arquitetura de rede, o número de filamentos de empurrar , e da maneira em que esses filamentos partilhar a carga [ 6,30,31 ] . Feedbacks Mechan - ticas são, portanto, importantes para a determinação da taxa de protrusão e as forças geradas por redes
  3. 3. de actina na vanguarda das células rastejando , dando origem a complexas relações de forçavelocidade , que pode ser histórico -de -dente [ 31,32 ] Rede de actina é também a desmontagem força -dependente ( Figura 1a). Ensaios de moléculas isoladas mostraram recentemente que a tensão num filamento de actina reduz cofilina ligação , levando a uma diminuição da sua actividade de corte (Quadro 1a) [23 ] . Este cofilina mediada tensão dependente da desmontagem fornece um mecanismo de estabilização de preferência estruturas de actina que se encontram sob tensão, tal como fibras de stress. Motores Miosina também contribuir para a actina a desmontagem, por meio da geração das forças compressivas na rede que levam à ruptura de filamentos de flambagem e [ 33-36 ] . Esta via miosina -dependente concentra desmontagem para regiões com uma elevada concentração de miosina e grandes tensões internas. Como tal, este mecanismo tem sido mostrado para gerar actina polarizada desmontagem motilidade em querato - citos , reforçada com desmontagem perto do bordo de fuga . Juntos, estes exemplos demonstram que a própria actina é um elemento sensor de mecano elaborado, que pode ajustar dinamicamente nucleação filamento, alongamento e ruptura de uma forma dependente da força (Figura 1a ) [ 37]. A estrutura ea dinâmica do citoesqueleto de actina também pode ser modulada indiretamente por sinais mecânicos, através de proteínas auxiliares que podem desencadear reorganização do citoesqueleto jusante (Figura 1c). Em particular, as alterações na tensão celular pode ter uma grande influência sobre a dinâmica do citoesqueleto através de alterações na localização e função de proteínas na membrana. Por exemplo, a ativação de canais de cálcio estiramento activados por um aumento transitório na tensão cellula provocou um influxo de cálcio que levou à retração posterior em queratinócitos motilidade que estavam temporariamente "preso" ao substrato [38] . Esta retracção foi provavelmente impulsionada pelo aumento da contractilidade actomiosina e / ou desmontagem de aderência melhorada , induzido pelo aumento súbito na concentração de cálcio intracelular . Da mesma forma, um aumento transitório da tensão na membrana espalhando fibroblastos foi mostrado para ativar a contração da miosina e exocitose [7 ?] . Um aumento na tensão da membrana também foi mostrado para inibir o recrutamento e activação de proteínas reguladoras de actina na migração de neutrófilos (Figura 1c ) [4 ? ] . Os mecanismos subjacentes a esses comportamentos tensão - dependentes são ainda pouco claras [4 ? , 7 ?] . Em outro estudo , formin induzida actina polimerização foi observado aumento na resposta ao stress físico aplicado a uma célula com uma microagulha , provavelmente devido a uma tensão transitória induzida por aumento da concentração de monómeros de actina livre [39 ] Estruturas de citoesqueleto em células exibem uma enorme diversidade nas suas propriedades mecânicas e na sua capacidade para gerar forças [9]. Esta diversidade decorre em grande parte a partir de diferenças na composição e arquitectura destas estruturas. Por exemplo, as propriedades reológicas das redes de actina são fortemente dependem-ent a densidade e distribuição do comprimento dos filamentos, os tipos de agentes de ligação cruzada e as suas concentrações [9,40-43]. Além disso, pequenas variações nos valores de motores miosina e as moléculas de ligação cruzada, ou a sua actividade, pode levar a uma transição brusca no comportamento global do sistema, a partir de uma rede de comutação para um gel noncontracting fortemente contráctil (Figura 1b)
  4. 4. As propriedades mecânicas do citoesqueleto e actomiosina sua contratilidade desempenhar um papel importante na motilidade celular. Em particular, a contracção myosininduced é importante para o movimento no interior de tecidos ou em espaços confinados [46-48]. Sob estas condições, as células normalmente acumulam actina e miosina perto da parte traseira de uma estrutura uropod semelhante, e o movimento é dependente de contracção da rede actomiosina. Como mencionado acima, também promove a contracção miosina actina rede desmontagem [36], e contribui para a polarização celular [49]. No entanto, estas contribuições não são, provavelmente, essencial para a motilidade lamellipodial que é impulsionado principalmente por actina polimerização; miosina II inibição-bição tem apenas um efeito limitado sobre os queratinócitos motilidade, que continuam a se mover, embora mais lento [36], e ha praticamente nenhum efeito sobre queratinócitos fragmentos As propriedades mecânicas globais de rede do citoesqueleto emergir das dinâmicas coletivas de seus componentes. Processos locais, tais como ligação e desligação de agentes de ligação cruzada ou flambagem dos filamentos de actina individualmente, permitir que a rede de reorganizar dinamicamente ao longo do tempo, e pode ter um efeito profundo sobre o comportamento da rede em grande escala de [50,51]. Tais rearranjos locais permitir que a rede se adaptar em resposta a solicitações externas ou internas, dando origem a comportamentos vigor dependentes complicadas, como tensão, rigidez e tensãoamolecimento [9,41,42,51,52]. Importante, a capacidade do citoesqueleto para ajustar suas propriedades em resposta a estímulos mecânicos permite que as células para responder dinamicamente às mudanças em seu ambiente e alternar entre diferentes modos de mobilidade [53]. Esta adaptação é crucial para a migração in vivo, em que as propriedades mecânicas e da geometria do meio ambiente local pode variar consideravelmente no espaço e no tempo. A membrana celular como um regulador células móveis mecânicos estão rodeados pela membrana plasmática , que apresenta uma barreira física entre a célula e sua envolvente, e serve como uma plataforma para a localização de várias reacções bioquímicas. A caracte-rísticas mecânicas da membrana de plasma, e em particular a tensão da membrana , desempenham um papel central no processo de motilidade . Ao contrário das vesículas artificiais em que a tensão da membrana é muitas vezes desprezível [54 ] , a tensão em células móveis é elevada e a força interna gerada pelos impactos de membrana todos os processos celulares que envolvem a deformação da membrana , incluindo a saliência , retracção e tráfico de membranas [ 21 , 55-57 ] . Como discutido acima, a força de compressão exercida pela membrana tensa na ponta de uma célula móveis irão influenciar localmente a dinâmica de crescimento e organização da rede de actina (Figura 1-A) [4 ? , 6,24 ?] . Da mesma forma, na extremidade traseira da cela , a membrana exerce uma força de tracção que auxilia na retracção traseira e descolamento das aderências [5 ? , 58,59 ] . Tensão de membrana também influencia a taxa de transporte entre as membranas interna e a membrana plasmática através de processos de endocitose e a exocitose [ 7 Importante, a força de equilíbrio dentro do fluido da membrana é rápido (? MS) [61], de modo alterações locais na força na membrana conduzem a uma rápida mudança na tensão da
  5. 5. membrana em toda parte. Assim, para além da sua influência local sobre a dinâmica de contorno de células (Figura 1c), a tensão da membrana induz acoplamento global de toda a célula (Figura 1d) (revisto em [19-21]). Este acoplamento tem sido demonstrado ser essencial para a coordenação em grande escala de dinâmica celular em vários tipos de células incluindo fibroblastos 7?], Neutrófilos [4?] E ceratócitos de peixe [5?, 6,8?]. Em particular , a tensão da membrana globalmente restringe a polimerização da actina , devido à inerente carga dependência das taxas de polimerização de actina (Figura 1-A) , e, possivelmente, também, indirectamente, através da regulação de tensão dependente de vias de sinalização actinrelated (Figura 1c). A inibição global de actividade protrusivo por tensão , juntamente com a activação do local da polimerização de actina por meio de ciclos de feedback positivo [2 ] , é responsável para constranger a propagação da região saliente em células móveis , tais como neutropenia - phils e queratócitos , e impede a formação frentes secundárias [4 ? , 6] . Ligação mecânica através da membrana também é responsável pela coordenação global dos processos adicionais, tais como o transporte de membrana e da membrana da célula e contracção do citoesqueleto . Por exemplo , alterações na tensão de membrana sincronizar exocitose , contração da miosina e protrusão em fibroblastos spreading [ 7 ?] . Além disso, o acoplamento mecânico através da membrana coordena efetivamente saliência na vanguarda com retração na parte traseira ( Figura 1d) [5 ? , 58] . Comentários semelhantes entre a tensão da membrana e organização do citoesqueleto também foram encontrados para desempenhar um papel no esperma nemátodo que assenta sobre a polimerização da proteína principal do esperma, na ausência de actina e quaisquer motores moleculares conhecidas , para a geração de motilidade direccional Conforme destacado acima, a tensão de membrana tem uma influência significativa sobre a dinâmica temporal espácio da máquina motilidade. No entanto, ao mesmo tempo, a tensão da membrana também deve ser afectada pelas forças geradas pela máquina motilidade. O que define o valor de tensão de membrana nas células? Apesar de sua importância , a resposta a esta questão ainda não é clara e pode variar entre os diferentes tipos de células. Uma possibilidade é que a tensão da membrana é determinado principalmente através de uma força de equilíbrio com as forças que actuam sobre o citoesqueleto da membrana, e possivelmente também gradientes de pressão hidrostática através da membrana (Figura 1d ) [ 19,21 ] . Este mecanismo parece ser dominante em células que se deslocam rapidamente , tais como os queratinócitos e neutrófilos, onde aumentou a protrusão actina conduz ao aumento da tensão [4 , 5, 8 ] . Alternativamente , a tensão de membrana pode ser determinada por alterações na zona da membrana da célula devido ao transporte de membranas internas e reservatórios de membrana ou desdobramento de domínios de membrana dobrada , como caveolae [ 18,56,62 ] . Este mecanismo parece desempenhar um papel importante em células endoteliais e células musculares , o que lhes permite rapidlyincrease sua superfície celular e impedir a ruptura da membrana em resposta ao alongamento ou abrupta inchaço. Ainda outra possibilidade é que a tensão resulta em células é largamente controlada pela interacção entre a membrana e o citoesqueleto [ 63,64 ] . Independentemente do mecanismo exato responsável por definir os valores da tensão de membrana , a tensão é, obviamente, um importante regulador global que induz acoplamento mecânico através da célula e coordena efetivamente dinâmicas locais em escalas de celulares.
  6. 6. resumo Esta avaliação incidiu sobre o papel das forças andfeedbacks mecânicos na motilidade celular . A importância da mecânica do processo de motilidade foi realizado no início , devido à natureza inerente do movimento mecânico como um fenómeno celular. No entanto , a extensão da volta -e-vem de acoplamento entre os processos bioquímicos e mecânicos em células móveis está apenas começando a se desdobrar [ 19-21,65 ]; novos experimentos continuam a revelar adicionais, previamente desconhecidos, os mecanismos de feedbacks mecânicos , tanto no nível de moléculas individuais e ao nível celular (Figura 1). A importância de feedbacks mecânicos não se limita aos fenômenos onde as forças são uma saída funcional óbvia como a mobilidade , a mecânica tem um impacto profundo sobre todos os processos celulares , mesmo aqueles que já foram pensadas para ser controlado principalmente pela sinalização bioquímicas tais como a diferenciação [66] , proliferação de [ 67], e da morte celular programada [68 ] . Além disso, a importância de reacções mecânicas que ultrapassa o nível de uma única célula , a comunicação entre as células mecânica é essencial durante a migração celular colectivo , no interior de tecidos e durante o desenvolvimento . Como as ligações entre mecânica e bioquímica vêm sendo trabalhados no nível molecular, o principal desafio é tornar-se entender como os diferentes processos bioquímicos e feedbacks mecânicos integrar os e levar a um comportamento coordenado a nível das células e tecidos. Progresso em direção a esse objetivo, sem dúvida, continuar a beneficiar de uma combinação de experimentos de reconstituição in vitro, observações in vivo em células vivas e tecidos e modelagem matemática

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