Стрессовое волокно - Stress fiber

Стрессовое волокно
Stress fiber.png
Стрессовые волокна - визуализируются с помощью флуоресцентной микрофотографии F-актина
Идентификаторы
MeSHD022502
THH1.00.01.1.02033
Анатомическая терминология

Стрессовые волокна сократительны актин пучки, обнаруженные в немышечных клетках.[1] Они состоят из актина (микрофиламентов) и немышечный миозин II (NMMII), а также содержат различные сшивающие белки, такие как α-актинин, для формирования высоко регулируемой структуры актомиозина в немышечных клетках.[2] Было показано, что стрессовые волокна играют важную роль в сократимости клеток, обеспечивая силу для ряда функций, таких как клеточная адгезия, миграция и морфогенез.

Структура

Стрессовые волокна в основном состоят из актина и миозина. Актин представляет собой глобулярный белок с массой ~ 43 кДа, который может полимеризоваться с образованием длинных нитевидных структур. Эти филаменты состоят из двух нитей мономеров актина (или протофиламентов), обернутых друг вокруг друга, чтобы создать единую филамент актина. Поскольку мономеры актина не являются симметричными молекулами, их филаменты имеют полярность, основанную на структуре мономера актина, что позволяет одному концу актинового филамента полимеризоваться быстрее, чем другому. Конец, который может полимеризоваться быстрее, известен как положительный конец, тогда как конец, который полимеризуется медленнее, известен как отрицательный конец. Стресс-волокна обычно состоят из 10-30 актиновых нитей.[3] Стресс-волокна состоят из антипараллельных микрофиламентов: актиновые филаменты связаны вдоль своей длины, а положительные и отрицательные концы смешиваются на каждом конце пучка. Антипараллельное расположение актиновых филаментов внутри стресс-волокон усиливается α-актинин белок, сшивающий актиновые филаменты, который содержит антипараллельные актин-связывающие домены. Эти пучки затем сшиваются посредством NMMII с образованием стрессовых волокон.

Монтаж и регулировка

Rho Cascade - формирование стрессовых волокон

В Семейство Rho GTPases регулируют многие аспекты динамики актинового цитоскелета, включая формирование стрессовых волокон. RhoA (иногда называемый просто Rho) отвечает за образование стрессовых волокон, и его активность в формировании стрессовых волокон была впервые обнаружена Ридли и Холлом в 1992 году.[4] При связывании с GTP, Rho активирует Rho-ассоциированную киназу, образующую спиральную спираль (ROCK), и гомолог диафилы Drosophila diaphanous (mDia) у млекопитающих.[5] mDia - это формин, который зарождается и полимеризует длинные актиновые филаменты. РОК - это киназа который действует, чтобы фосфорилировать MLCP (фосфатаза легкой цепи миозина), а также легкую цепь NMMII, которая инактивирует MLCP и активирует миозин.[6] Это приведет к накоплению активированных моторных белков миозина, которые связывают актиновые филаменты, полимеризованные mDia, для создания стрессовых волокон. Кроме того, ROCK также фосфорилирует и активирует LIM-киназу.[7] LIM-киназа, в свою очередь, фосфорилирует и инактивирует кофилин, что предотвратит разрушение и переработку актиновых нитей, поддерживая целостность стрессовых волокон.[8]

Роли и связанные белки

Стрессовые волокна играют следующие роли в функционировании клеток:

1. Адгезия

Стрессовые волокна необходимы для образования и поддержания клеточно-клеточного и клеточногоECM адгезия, например, образование прилипает к стыкам, узкие стыки и очаговые спайки.[9][10]

Адгезивные соединения

Адгезивные соединения представляют собой тип структуры межклеточной адгезии, которая присутствует как в подвижных, так и в неподвижных клетках, которые связывают клетки вместе посредством гомофильного связывания кадгерины и нексины.[11] Стрессовые волокна играют важную роль в поддержании кадгерин-зависимых и нексин-зависимых межклеточных контактов,[12] и было обнаружено, что GTPases семейства Rho регулируют структуру и целостность слипчивых соединений.[13] α-катенин и β-катенин являются неотъемлемыми компонентами адгезивных соединений, которые связываются вместе с образованием комплексов кадгерин-α-катенин-β-катенин.[14] Ранние исследования показали, что α-катенин может взаимодействовать с актиновыми филаментами, что привело к убеждению, что α-катенин связывает актиновый цитоскелет с адгезивными соединениями.[15] Однако позже было обнаружено, что α-катенин может связывать F-актин только тогда, когда он не связан с β-катенином и кадгерином.[16]

Недавно было показано, что α-катенин связан с Форминс,[17] ЭПЛИН и винкулин. Было обнаружено, что EPLIN усиливает связывание и стабилизацию актиновых филаментов,[18] и винкулин участвует в связывании молекул адгезии с актиновым цитоскелетом. Это может служить механизмом того, как актин рекрутируется в слипчивые соединения.[19]

Узкие стыки

Узкие стыки, или zona occludens, являются наиболее важным клеточным элементом для образования полупроницаемых барьеров внутри или между тканями.[20] Плотные контакты в основном состоят из клаудинов и окклюдинов, которые представляют собой мембранные белки, которые образуют межклеточный контакт, а также ZO-1, ZO-2 и ZO-3, которые связывают плотные контакты с актиновым цитоскелетом.[21] Однако не было обнаружено, что плотные соединения напрямую связаны с стрессовыми волокнами, как это происходит с фокальными сращениями и сращениями.

Очаговые спайки

Очаговые спайки представляют собой макромолекулярные сборки, которые используются для подключения клеток к ECM. Они состоят из трех функциональных слоев: связанного с ЕСМ слоя интегрина, связанного с мембраной слоя трансдукции силы и слоя актина, который состоит из актиновых стрессовых волокон.[22] Как следует из названия или их слоев, фокальные адгезии играют большую роль в механотрансдукции и миграции клеток. Фокальные спайки обычно связаны с стрессовыми волокнами - фактически, сократимость стрессовых волокон необходима для поддержания фокальной адгезии.[23]

2. Миграция

Три типа стресс-волокон: вентральные стресс-волокна, поперечные дуги и дорсальные стресс-волокна.

Существенной особенностью многих клеток является их способность мигрировать в сторону определенных механических (Дуротаксис ) или химический (Хемотаксис ) стимулы.[24] Миграция клеток происходит за счет согласованного действия трех ГТФаз семейства Rho: Rho, Rac и Cdc42. Когда GTP-связан, Rac вызывает образование ламеллиподии, а Cdc42 вызовет образование филоподия, тем самым способствуя миграции клеток. В мигрирующей клетке существует три основных типа стресс-волокон: вентральные стресс-волокна, поперечные дуги и дорсальные стресс-волокна.[25] Вентральные стрессовые волокна связаны с очаговыми адгезиями на обоих концах, расположены на вентральной поверхности клетки и действуют при адгезии и сокращении.[26] Поперечные дуги не связаны напрямую с фокальными адгезиями и обычно текут от переднего края клетки обратно к центру клетки.[27] Дорсальные стресс-волокна расположены на переднем крае клетки. Они прикрепляются к фокальным спайкам на вентральной поверхности переднего края и простираются дорсально к центру клетки, чтобы прикрепиться к поперечным дугам.[28] Во время миграции клеток актиновые филаменты в стрессовых волокнах будут повторно использоваться в процессе ретроградный поток актина. Механизм растворения самого очагового сращения изучен недостаточно.

3. Морфогенез

Морфогенез на клеточном уровне можно определить как придание формы или определение архитектуры клетки. Сборка цитоскелета, включая актиновый цитоскелет, является определяющим фактором в определении клеточного морфогенеза и придании клеткам формы. Таким образом, сократительная способность стрессовых волокон внутри клетки помогает определить клеточный морфогенез. Напр., Периферические сократительные актиновые пояса спаек вносят вклад в клеточный морфогенез.[29] Кроме того, дорсальные стрессовые волокна, поперечные дуги и вентральные стрессовые волокна помогают в определении морфологии клеток во время миграции клеток. Более подробное объяснение клеточного морфогенеза можно найти Вот.

4. Механотрансдукция.

И микрофиламенты, и микротрубочки играют важную роль в механотрансдукции. В актиновом цитоскелете механотрансдукция может происходить в адгезиях клетка-ECM и клетка-клетка через очаговые адгезии и сращения, соответственно.[30] Передача сил извне внутрь клетки может контролировать созревание или разрушение адгезий и инициировать внутриклеточные сигнальные каскады, которые могут изменять клеточное поведение,[31] и клетки, как известно, собирают стрессовые волокна, когда они сталкиваются с механическим воздействием.[32] Например, клетки, выращенные на жестких субстратах, будут иметь толстые стрессовые волокна, тогда как стрессовые волокна, наблюдаемые в клетках, выращенных на более мягких субстратах, будут менее выраженными.[33] Механическая сила, передаваемая стрессовым волокнам на фокальные спайки, также может изменять конформацию механочувствительных белков фокальной адгезии, таких как p130Cas.[34] и талины,[35] предполагая, что сократимость стрессовых волокон может переводить механические сигналы в биохимические сигналы. Существует также небольшое подмножество интегринов, связанных с фокальной адгезией, которые оканчиваются в перинуклеарной актиновой шапочке (в верхней части ядра) и закрепляются там посредством ЛИНК комплекс.[36] Эти связанные с шапочкой фокальные спайки были установлены как основные медиаторы механочувствительности и представляют собой прямой путь передачи механических сигналов от фокальных спаек к ядру.[37]

Стрессовые волокна в подвижных и неподвижных клетках

Структура стрессовых волокон у подвижных и неподвижных клеток различается.[38] Стрессовые волокна в подвижных и неподвижных клетках схожи в том, что оба они содержат актиновые филаменты, сшитые альфа-актинином и миозином II, однако пространственная ориентация отдельных актиновых филаментов внутри стрессовых волокон различается между подвижными и неподвижными. клетки.[39] Стресс-волокна в вентральной области подвижных клеток обнаруживают общий сдвиг в ориентации отдельных актиновых филаментов вдоль продольной оси стресс-волокна, так что плюсовые концы филаментов всегда преимущественно направлены в сторону фокальных спаек.[40] Стрессовые волокна в вентральных областях неподвижных клеток обнаруживают периодический полярность, аналогичная организации саркомер.[41]

Клинические применения

Как обсуждалось выше, Rho отвечает за формирование стрессовых волокон. Неправильная регуляция семейства Rho GTPases участвует во многих заболеваниях. Можно найти общие клинические применения, нацеленные на Rho GTPases Вот.

Рекомендации

  1. ^ Kreis, Thomas E .; Бирчмайер, Вальтер (ноябрь 1980 г.). «Саркомеры стрессовых волокон фибробластов сократительны». Клетка. 22 (2): 555–561. Дои:10.1016/0092-8674(80)90365-7. PMID  6893813. S2CID  11435890.
  2. ^ Tojkander, S .; Gateva, G .; Лаппалайнен, П. (29 апреля 2012 г.). «Актиновые стресс-волокна - сборка, динамика и биологические роли». Журнал клеточной науки. 125 (8): 1855–1864. Дои:10.1242 / jcs.098087. PMID  22544950.
  3. ^ Tojkander, S .; Gateva, G .; Лаппалайнен, П. (29 апреля 2012 г.). «Актиновые стресс-волокна - сборка, динамика и биологические роли». Журнал клеточной науки. 125 (8): 1855–1864. Дои:10.1242 / jcs.098087. PMID  22544950.
  4. ^ Ридли, Энн Дж .; Холл, Алан (август 1992 г.). «Небольшой GTP-связывающий белок rho регулирует сборку фокальных спаек и актиновых стрессовых волокон в ответ на факторы роста». Клетка. 70 (3): 389–399. Дои:10.1016/0092-8674(92)90163-7. PMID  1643657.
  5. ^ Нарумия, Шух; Танджи, Масахиро; Ишизаки, Тошимаса (22 января 2009 г.). «Передача сигналов Rho, ROCK и mDia1, при трансформации, метастазировании и инвазии». Обзоры рака и метастазов. 28 (1–2): 65–76. Дои:10.1007 / s10555-008-9170-7. PMID  19160018. S2CID  33869424.
  6. ^ Kimura, K .; Ито, М .; Амано, М .; Chihara, K .; Fukata, Y .; Nakafuku, M .; Yamamori, B .; Feng, J .; Nakano, T .; Okawa, K .; Iwamatsu, A .; Кайбути, К. (12 июля 1996 г.). «Регулирование миозинфосфатазы с помощью Rho и Rho-ассоциированной киназы (Rho-киназы)». Наука. 273 (5272): 245–248. Дои:10.1126 / science.273.5272.245. PMID  8662509. S2CID  37249779.
  7. ^ Маэкава, М. (6 августа 1999 г.). «Передача сигналов от Rho к актиновому цитоскелету через протеинкиназы ROCK и LIM-киназу». Наука. 285 (5429): 895–898. Дои:10.1126 / наука.285.5429.895. PMID  10436159.
  8. ^ Маэкава, М. (6 августа 1999 г.). «Передача сигналов от Rho к актиновому цитоскелету через протеинкиназы ROCK и LIM-киназу». Наука. 285 (5429): 895–898. Дои:10.1126 / наука.285.5429.895. PMID  10436159.
  9. ^ Брага, В. М. (16 июня 1997 г.). «Малые GTPases Rho и Rac необходимы для установления кадгерин-зависимых межклеточных контактов». Журнал клеточной биологии. 137 (6): 1421–1431. Дои:10.1083 / jcb.137.6.1421. ЧВК  2132529. PMID  9182672.
  10. ^ Ридли, Энн Дж .; Холл, Алан (август 1992 г.). «Небольшой GTP-связывающий белок rho регулирует сборку фокальных спаек и актиновых стрессовых волокон в ответ на факторы роста». Клетка. 70 (3): 389–399. Дои:10.1016/0092-8674(92)90163-7. PMID  1643657.
  11. ^ Meng, W .; Такеичи, М. (5 августа 2009 г.). «Соединение адгезивов: молекулярная архитектура и регуляция». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 1 (6): a002899. Дои:10.1101 / cshperspect.a002899. ЧВК  2882120. PMID  20457565.
  12. ^ Васиухин Валерий; Бауэр, Кристоф; Инь, Мэй; Фукс, Элейн (январь 2000 г.). «Направленная полимеризация актина является движущей силой эпителиальной клеточно-клеточной адгезии». Клетка. 100 (2): 209–219. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 81559-7. PMID  10660044. S2CID  13992047.
  13. ^ Брага, В. М. (16 июня 1997 г.). «Малые GTPases Rho и Rac необходимы для установления кадгерин-зависимых межклеточных контактов». Журнал клеточной биологии. 137 (6): 1421–1431. Дои:10.1083 / jcb.137.6.1421. ЧВК  2132529. PMID  9182672.
  14. ^ Meng, W .; Такеичи, М. (5 августа 2009 г.). «Соединение адгезивов: молекулярная архитектура и регуляция». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 1 (6): a002899. Дои:10.1101 / cshperspect.a002899. ЧВК  2882120. PMID  20457565.
  15. ^ Римм, Дэвид Л. (19 июня 1995 г.). «Альфа 1 (Е) -катенин представляет собой связывающий актин и связывающий белок белок, опосредующий присоединение F-актина к комплексу мембранной адгезии». Труды Национальной академии наук. 92 (19): 8813–8817. Дои:10.1073 / пнас.92.19.8813. ЧВК  41057. PMID  7568023.
  16. ^ Дрис, фрауке; Покутта, Сабина; Ямада, Соичиро; Нельсон, У. Джеймс; Вайс, Уильям I. (декабрь 2005 г.). «α-Катенин представляет собой молекулярный переключатель, который связывает E-кадгерин-β-катенин и регулирует сборку актин-филамент». Клетка. 123 (5): 903–915. Дои:10.1016 / j.cell.2005.09.021. ЧВК  3369825. PMID  16325583.
  17. ^ Кобелак, Агнешка; Пазолли, Х. Амалия; Фукс, Элейн (30 ноября 2003 г.). «Формин-1 млекопитающих участвует в адгезионных соединениях и полимеризации линейных актиновых кабелей». Природа клеточной биологии. 6 (1): 21–30. Дои:10.1038 / ncb1075. ЧВК  2605950. PMID  14647292.
  18. ^ Р. С. Мол (3 февраля 2003 г.). «ЭПЛИН регулирует динамику актина путем сшивания и стабилизации нитей». Журнал клеточной биологии. 160 (3): 399–407. Дои:10.1083 / jcb.200212057. ЧВК  2172667. PMID  12566430.
  19. ^ Р. С. Мол (3 февраля 2003 г.). «ЭПЛИН регулирует динамику актина путем сшивания и стабилизации нитей». Журнал клеточной биологии. 160 (3): 399–407. Дои:10.1083 / jcb.200212057. ЧВК  2172667. PMID  12566430.
  20. ^ Гамбинер, Барри М. (февраль 1996 г.). «Клеточная адгезия: молекулярная основа тканевой архитектуры и морфогенеза». Клетка. 84 (3): 345–357. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 81279-9. PMID  8608588. S2CID  13443584.
  21. ^ Хартсок, Андреа; Нельсон, У. Джеймс (март 2008 г.). «Сращения и плотные контакты: структура, функция и связи с актиновым цитоскелетом». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны. 1778 (3): 660–669. Дои:10.1016 / j.bbamem.2007.07.012. ЧВК  2682436. PMID  17854762.
  22. ^ Канчанавонг, Пакорн; Штенгель, Глеб; Pasapera, Ana M .; Рамко, Эрика Б .; Дэвидсон, Майкл У .; Гесс, Харальд Ф .; Уотерман, Клэр М. (25 ноября 2010 г.). «Наноразмерная архитектура клеточных адгезий на основе интегрина». Природа. 468 (7323): 580–584. Дои:10.1038 / природа09621. ЧВК  3046339. PMID  21107430.
  23. ^ Tojkander, S .; Gateva, G .; Лаппалайнен, П. (29 апреля 2012 г.). «Актиновые стресс-волокна - сборка, динамика и биологические роли». Журнал клеточной науки. 125 (8): 1855–1864. Дои:10.1242 / jcs.098087. PMID  22544950.
  24. ^ Tojkander, S .; Gateva, G .; Лаппалайнен, П. (29 апреля 2012 г.). «Актиновые стресс-волокна - сборка, динамика и биологические роли». Журнал клеточной науки. 125 (8): 1855–1864. Дои:10.1242 / jcs.098087. PMID  22544950.
  25. ^ Хотулайнен, П. (8 мая 2006 г.). «Стрессовые волокна генерируются двумя различными механизмами сборки актина в подвижных клетках». Журнал клеточной биологии. 173 (3): 383–394. Дои:10.1083 / jcb.200511093. ЧВК  2063839. PMID  16651381.
  26. ^ Хотулайнен, П. (8 мая 2006 г.). «Стрессовые волокна генерируются двумя различными механизмами сборки актина в подвижных клетках». Журнал клеточной биологии. 173 (3): 383–394. Дои:10.1083 / jcb.200511093. ЧВК  2063839. PMID  16651381.
  27. ^ Хотулайнен, П. (8 мая 2006 г.). «Стрессовые волокна генерируются двумя различными механизмами сборки актина в подвижных клетках». Журнал клеточной биологии. 173 (3): 383–394. Дои:10.1083 / jcb.200511093. ЧВК  2063839. PMID  16651381.
  28. ^ Хотулайнен, П. (8 мая 2006 г.). «Стрессовые волокна генерируются двумя различными механизмами сборки актина в подвижных клетках». Журнал клеточной биологии. 173 (3): 383–394. Дои:10.1083 / jcb.200511093. ЧВК  2063839. PMID  16651381.
  29. ^ Meng, W .; Такеичи, М. (5 августа 2009 г.). «Соединение адгезивов: молекулярная архитектура и регуляция». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 1 (6): a002899. Дои:10.1101 / cshperspect.a002899. ЧВК  2882120. PMID  20457565.
  30. ^ Чен, Кристофер С .; Тан, Джон; Тьен, Джо (15 августа 2004 г.). «Механотрансдукция на контактах клетка-матрица и клетка-клетка». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии. 6 (1): 275–302. Дои:10.1146 / annurev.bioeng.6.040803.140040. PMID  15255771.
  31. ^ Чен, Кристофер С .; Тан, Джон; Тьен, Джо (15 августа 2004 г.). «Механотрансдукция на контактах клетка-матрица и клетка-клетка». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии. 6 (1): 275–302. Дои:10.1146 / annurev.bioeng.6.040803.140040. PMID  15255771.
  32. ^ Tojkander, S .; Gateva, G .; Лаппалайнен, П. (29 апреля 2012 г.). «Актиновые стресс-волокна - сборка, динамика и биологические роли». Журнал клеточной науки. 125 (8): 1855–1864. Дои:10.1242 / jcs.098087. PMID  22544950.
  33. ^ Tojkander, S .; Gateva, G .; Лаппалайнен, П. (29 апреля 2012 г.). «Актиновые стресс-волокна - сборка, динамика и биологические роли». Журнал клеточной науки. 125 (8): 1855–1864. Дои:10.1242 / jcs.098087. PMID  22544950.
  34. ^ Савада, Ясухиро; Тамада, Масако; Дубин-Талер, Бенджамин Дж .; Чернявская, Оксана; Сакаи, Рюичи; Танака, Сакаэ; Шитц, Майкл П. (декабрь 2006 г.). «Измерение силы путем механического расширения субстрата киназы семейства Src p130Cas». Клетка. 127 (5): 1015–1026. Дои:10.1016 / j.cell.2006.09.044. ЧВК  2746973. PMID  17129785.
  35. ^ Канчанавонг, Пакорн; Штенгель, Глеб; Pasapera, Ana M .; Рамко, Эрика Б .; Дэвидсон, Майкл У .; Гесс, Харальд Ф .; Уотерман, Клэр М. (25 ноября 2010 г.). «Наноразмерная архитектура клеточных адгезий на основе интегрина». Природа. 468 (7323): 580–584. Дои:10.1038 / природа09621. ЧВК  3046339. PMID  21107430.
  36. ^ Ким, Донг-Хви; Khatau, Shyam B .; Фэн, Юньфэн; Уолкотт, Сэм; Солнце, Шон X .; Лонгмор, Грегори Д .; Вирц, Денис (3 августа 2012 г.). «Фокальные спайки, связанные с актиновым колпачком, и их особая роль в механической чувствительности клеток». Научные отчеты. 2: 555. Дои:10.1038 / srep00555. ЧВК  3412326. PMID  22870384.
  37. ^ Ким, Донг-Хви; Khatau, Shyam B .; Фэн, Юньфэн; Уолкотт, Сэм; Солнце, Шон X .; Лонгмор, Грегори Д .; Вирц, Денис (3 августа 2012 г.). «Фокальные спайки, связанные с актиновым колпачком, и их особая роль в клеточной механочувствительности». Научные отчеты. 2: 555. Дои:10.1038 / srep00555. ЧВК  3412326. PMID  22870384.
  38. ^ Дегучи, Синдзи (11 февраля 2009 г.). «Биомеханические свойства актиновых стрессовых волокон неподвижных клеток». Биореология. 46 (2, 2009): 93–105. Дои:10.3233 / BIR-2009-0528. PMID  19458413.
  39. ^ Дегучи, Синдзи (11 февраля 2009 г.). «Биомеханические свойства актиновых стрессовых волокон неподвижных клеток». Биореология. 46 (2, 2009): 93–105. Дои:10.3233 / BIR-2009-0528. PMID  19458413.
  40. ^ Крамер, Л. П. (24 марта 1997 г.). «Идентификация новых связок актиновых нитей с дифференцированной полярностью в движущихся фибробластах сердца: значение для генерации движущей силы». Журнал клеточной биологии. 136 (6): 1287–1305. Дои:10.1083 / jcb.136.6.1287. ЧВК  2132518. PMID  9087444.
  41. ^ Лазарид, Элиас; Берридж, Кит (ноябрь 1975 г.). «α-Актинин: иммунофлуоресцентная локализация мышечного структурного белка в немышечных клетках». Клетка. 6 (3): 289–298. Дои:10.1016/0092-8674(75)90180-4. PMID  802682. S2CID  40148317.