Informatie

10: Cellen en weefsels - Biologie

10: Cellen en weefsels - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

10: Cellen en weefsels

Basisprincipes van celbiologie | Celweefsels & amp-functies | Biologie

Celbiologie gaat over de kleinste eenheid van leven. Deze cursus bevat verklarende video's over zowel cellen als weefsels. Aan het einde van elke video kun je je concepten herzien met leuke oefeningen.

Deze cursus bestaat uit videosessies met basisanimatie voor een betere visualisatie en begrip.

Aan het einde van elke sessie kun je de leuke oefeningen beantwoorden die je zullen helpen om je concepten goed te herzien.

Na afloop van deze cursus kunt u alle vragen uit de hoofdstukken Cellen en ook weefsels beantwoorden.

Ook krijg je een duidelijk inzicht in alle functies van zowel cellen als weefsels.

Celbiologie is de studie van celstructuur en -functie, en het draait om het concept dat de cel de fundamentele eenheid van het leven is.

Door op de cel te focussen, kan een gedetailleerd begrip worden verkregen van de weefsels en organismen waaruit cellen zijn samengesteld. Sommige organismen hebben slechts één cel, terwijl andere zijn georganiseerd in coöperatieve groepen met enorme aantallen cellen.

Over het algemeen richt celbiologie zich op de structuur en functie van een cel, van de meest algemene eigenschappen die door alle cellen worden gedeeld, tot de unieke, zeer ingewikkelde functies die specifiek zijn voor gespecialiseerde cellen.

Als je dit begrijpt, kun je je kennis in de biologie verder ontwikkelen en de verschillende orgaansystemen bestuderen.


De plastic cel: mechanische vervorming van cellen en weefsels

Epitheelcellen hebben het vermogen om hun vorm te veranderen als reactie op mechanische stress door hun verbindingen en hun cytoskelet te hermodelleren. Deze eigenschap ligt aan de basis van weefselmorfogenese in embryo's. Een belangrijk kenmerk van veranderingen in de vorm van embryonale cellen is dat ze het gevolg zijn van herhaalde mechanische invoer waardoor ze bij elke stap gedeeltelijk onomkeerbaar zijn. Eerder werk aan celreologie heeft zelden behandeld hoe veranderingen onomkeerbaar kunnen worden in een complex weefsel. Hier bespreken we nieuwe en opwindende bevindingen die enkele van de fysieke principes en moleculaire mechanismen ontleden die verantwoordelijk zijn voor onomkeerbare veranderingen in celvorm. We bespreken concepten van mechanische ratels en spanningsdrempels die nodig zijn om permanente celvervormingen te induceren die lijken op mechanische plasticiteit. Werk in verschillende systemen heeft het belang van actine-remodellering en van E-cadherine-endocytose benadrukt. We vermelden ook enkele nieuwe experimentele benaderingen om mechanische spanning te verfijnen, met behulp van optogenetica, magnetische kralen of rekken van gesuspendeerde epitheliale weefsels. Ten slotte bespreken we enkele wiskundige modellen die zijn gebruikt om de kwantitatieve aspecten van de boekhouding van mechanische celplasticiteit te beschrijven en bieden we perspectieven op dit snel evoluerende veld.

1. Inleiding

Het is al lang bekend dat cellen onder invloed van mechanische prikkels van vorm veranderen [1,2]. In de meeste gevallen krijgen cellen na vervorming hun oorspronkelijke vorm terug. Zo worden onder normale fysiologische omstandigheden sommige cellen herhaaldelijk uitgerekt, zoals in de long voor enkele seconden, of in de blaas en de darm gedurende enkele minuten, maar blijven ze niet uitgerekt [3,4]. Evenzo vervormen cellen tijdelijk om zich goed te delen of om door kleine poriën te migreren [5]. In andere gevallen worden veranderingen in celvorm echter onomkeerbaar tijdens de morfogenetische processen die nodig zijn om weefsels en organen te genereren tijdens de ontwikkeling [6-8].

Terwijl in vitro studies hebben mooi de fysische principes geschetst die de celrespons op mechanische krachten sturen [9,10], minder studies hebben onderzocht hoe embryonale cellen reageren op herhaalde vervormingen [11–13]. Evenzo is de manier waarop cellen ontspannen nadat grote krachten zijn verwijderd na het laden, niet in zoveel fysiek detail gekarakteriseerd [14].

Een verschil tussen vroege celmechanica-studies, die over het algemeen gebaseerd waren op enkele cellen [9,10], en recentere studies waarbij embryo's betrokken zijn, is dat de laatste hechtende verbindingen assembleren die hun mechanische eigenschappen wijzigen. Een ander potentieel verschil is dat embryonale weefsels zachter zijn dan goed gedifferentieerde cellen en worden ondersteund door minder complexe ECM-matrices [15-17]. Een bepalend kenmerk van de meeste veranderingen in de vorm van embryonale cellen, en de focus van deze review, is dat ze plaatsvinden door herhaalde cycli van samentrekking en ontspanning, die onomkeerbare veranderingen in de celvorm veroorzaken in de loop van de morfogenese. De onomkeerbaarheid roept zowel fysieke als biologische vragen op: hoe wordt mechanisch werk verdreven in levende systemen, en wat zijn de moleculaire mechanismen die deze veranderingen aandrijven?

In deze review bespreken we hoe onomkeerbaarheid van celvormverandering kan worden toegeschreven aan mechanische plasticiteit, zoals blijkt uit verschillende recente onderzoeken, en wat dit in fysieke termen inhoudt. In het bijzonder vergelijken we de lessen die zijn opgedaan met in vivo situaties en van in vitro bootst permanente vervormingen na die zijn waargenomen in embryo's, met een focus op wat we momenteel weten over de onderliggende moleculaire oorzaken van mechanische plasticiteit in cellen en weefsels. We noemen nieuwe experimentele technieken die worden gebruikt om mechanische plasticiteit te bestuderen in vitro en op een eenvoudige manier verschillende wiskundige modellen te presenteren die zijn afgeleid van de klassieke natuurkunde en die worden gebruikt om permanente vervormingen te beschrijven die ontstaan ​​in weefsels als gevolg van vervorming (box 1).

Kader 1. Woordenlijst van fysieke termen.

Actieve materie. Een verzameling van op elkaar inwerkende, zelfaangedreven deeltjes die energie verbruiken, resulterend in collectief gedrag. Voorbeelden hiervan zijn een zwerm vogels die in een zwerm vliegen, of het cytoskelet met zijn samenstellende monomeren of Cisassembling.

Vang band. Een type niet-covalente interactie waarbij trekkracht de binding sterker maakt. Een illustratie van dit principe is te vinden in een populair kinderspeelgoed, de zogenaamde Chinese vingerval.

Nakoming. Naleving is het omgekeerde van stijfheid. Het is een maatstaf voor hoe een object vervormt wanneer het wordt onderworpen aan een kracht (m N −1 in SI-eenheden).

Dashpot. Een mechanisch apparaat dat vaak wordt gebruikt om puur viskeuze materialen te modelleren. Een voorbeeld uit de praktijk van dit apparaat is te vinden op de achterkant van deuren, zodat ze niet dicht kunnen slaan.

Elasticiteit. Elasticiteit, over het algemeen een kenmerk van vaste stoffen, is het vermogen waarmee een object zijn oorspronkelijke vorm terugkrijgt nadat het is vervormd.

Vloeibaarheid. De neiging van een materiaal om te vloeien onder een gedefinieerde mechanische belastingssnelheid (Pa −1 s −1 in SI-eenheden).

Kelvin-Voigt-materiaal. Een materiaal met zowel viskeuze als plastische eigenschappen, gemodelleerd met een parallelle veer en een dashpot. Onder constante spanning vertoont het geen onmiddellijke vervorming en bereikt het een eindige stationaire vervorming.

Maxwell-materiaal. Een materiaal met zowel viskeus als plastic en eigenschappen, gemodelleerd met behulp van een veer en een dashpot in serie. Onder constante spanning vertoont het een onmiddellijke vervorming en stroomt het als een perfecte vloeistof op een lange tijdschaal.

Plasticiteit. Bij spanning zal een vast voorwerp een blijvende vervorming ondergaan die ook bij het wegnemen van de spanning zal blijven bestaan, in tegenstelling tot elasticiteit (figuur 1).

Machtswet. Een functie, die geen karakteristieke tijdschaal heeft, is lineair op een log-log plot. Functie in de vorm van x α .

Voorspanning. Verwijst naar de som van alle krachten per oppervlakte-eenheid van de dwarsdoorsnede in de richting loodrecht op dat gebied, maar in tegenstelling tot spanning treedt deze op vóór de vervorming.

Ratel. Een stapsgewijs en onomkeerbaar proces dat slechts in één richting verloopt, zoals het gebruikelijke gereedschap dat bekend staat als een ratel of een waterrad. In de context van de biologie moet de energie die de beweging aandrijft worden geleverd door thermische fluctuaties of door ATP-hydrolyse.

reologie. Studiegebied over hoe materiaal stroomt onder invloed van krachten.

Schaal invariantie. Wanneer een element van een object hetzelfde blijft wanneer schalen of variabelen worden vermenigvuldigd met een gemeenschappelijke factor. De binnenhoeken van een gelijkzijdige driehoek zijn bijvoorbeeld altijd hetzelfde, ongeacht de grootte van de driehoek.

Vast versus vloeibaar. Dit onderscheid is niet triviaal en eigenlijk een kwestie van de tijdschaal. Sommige materialen, die gewoonlijk als vaste stoffen worden beschouwd, kunnen in de loop van jaren langzaam als vloeistoffen stromen (bijvoorbeeld gletsjers). Een vaste stof is een materiaal waarin de samenstellende atomen stevig zijn verbonden met hun buren en niet van positie veranderen, tenzij er een zeer sterke kracht op wordt uitgeoefend. Een zuivere vaste stof is elastisch en gehoorzaamt aan de wet van Hooke. Een vloeistof is een materiaal waarin individuele deeltjes ten opzichte van elkaar bewegen, ondanks het vormen van zwakkere en tijdelijke bindingen met hun buren. Biologische systemen zijn in wezen vloeistoffen, voornamelijk vanwege het feit dat ze actieve materie vertegenwoordigen die innerlijke netwerken kan loskoppelen.

Stijfheid. Mate waarin materiaal bestand is tegen vervorming onder uitgeoefende kracht, inverse van compliantie, gemeten (Nm −1 in SI-eenheden).

Deformatie. Relatieve vervorming die optreedt wanneer een object wordt blootgesteld aan mechanische spanning is dimensieloos.

Spanning. Kracht per gebied (Pa in SI-eenheden). In actinenetwerken kan de stress passief zijn, als gevolg van een externe kracht (netwerkvervorming) of actief, als gevolg van actomyosine-gedreven contracties van het netwerk zelf.

Visco-elasticiteit. Een materiaal met zowel viskeuze als elastische eigenschappen. Een dergelijk materiaal herwint zijn oorspronkelijke vorm na vervorming, maar langzamer dan een puur elastisch lichaam vanwege de viskeuze demping.

Viscoplasticiteit. Vergelijkbaar met visco-elastische materialen, behalve dat er ook permanente vervorming optreedt.

Viscositeit. Viscositeit is de mate waarin een vloeistof weerstand biedt tegen stromen onder externe spanning. Viskeuze materialen keren niet terug naar hun oorspronkelijke vorm na vervorming (Pa × s in SI-eenheden).

De modulus van Young. Verhouding van spanning tot rek tijdens lineaire elastische vervorming (SI-eenheid in Pa).

Figuur 1. De relatieve vervormingen van elastische, plastische en viskeuze materialen. De duur van de externe spanning wordt grijs weergegeven.

2. Fysische parameters van plastische versus visco-elastische vervormingen

In de materiaalkunde krijgt een elastische vaste stof (bijvoorbeeld een veer) zijn oorspronkelijke onvervormde vorm terug zodra de mechanische belasting is verwijderd, terwijl een stroperige vloeistof vervormd blijft. Veel polymeren vertonen intermediair mechanisch gedrag tussen de elastische vaste stof en de viskeuze vloeistof, wat visco-elasticiteit wordt genoemd. Voor grote en lange spanningen die bepaalde drempels overschrijden, komen de meeste materialen in het plastische regime waarin ze onomkeerbaar vervormd raken. Onder dergelijke omstandigheden worden moleculaire bindingen verbroken en kunnen nieuwe worden gevormd. Wanneer dergelijke materialen ook viskeuze eigenschappen vertonen, worden ze viscoplastische materialen genoemd.

Levende cellen vertegenwoordigen specifieke klassen van visco-elastisch en viscoplastisch materiaal omdat hun mechanische architectuur complexer is, omdat ze uit evenwicht zijn en omdat ze energie verbruiken om zich aan te passen aan hun omgeving. Het is goed gedocumenteerd dat cellen binnen enkele seconden veranderingen voelen om velden te forceren en zich er vervolgens via verschillende mechanismen over een langere tijdschaal aan aanpassen [18,19]. Aanpassingsmechanismen kunnen kortetermijnprocessen omvatten door middel van mechanotransductie, wat leidt tot eiwitomzetting, eiwitconformatieveranderingen of subcellulaire herlokalisatie, en langetermijnfeedback door genexpressie. Bij vervorming vertonen cellen over het algemeen een overwegend elastisch gedrag op korte tijdschalen (seconden tot minuten), maar een overwegend viskeus gedrag op langere tijdschalen [14]. In deze bifasische situaties beschrijft een machtswet vaak een van de regimes, terwijl een exponentiële functie de andere vertegenwoordigt [20]. Recente studies met Drosophila embryo's suggereren dat de celcortex meestal elastisch is, terwijl het cytoplasma viskeus is [21]. Tegen deze achtergrond zou de mechanische plasticiteit van een cel of een weefsel overeenkomen met een permanente en onomkeerbare vervorming die optreedt door een verandering in de organisatie van zijn cortex en van de eiwitcomplexen die betrokken zijn bij knooppunten.

Klassieke methoden om de reologie van cellen en weefsels te onderzoeken, bestaan ​​erin ze aan een mechanische belasting te onderwerpen, bijvoorbeeld door ze uit te rekken of plaatselijk te vervormen, en vervolgens hun herstel te observeren nadat de externe bron van vervorming is verwijderd. Dergelijke methoden hebben aangetoond dat reologie van één cel kalkvrij is en dat cellen voorgespannen zijn [9,10]. Afhankelijk van hun geometrie, hun materiaaleigenschappen, hoeveel cellen actief worden voorgespannen door moleculaire motoren (zie kader 1 voor een definitie van voorspanning), verstijven of verzachten cellen onder mechanische spanning [22-27]. In het bijzonder verstijven cellen na een constante rek in het algemeen, terwijl cellen die aan tijdelijke rek worden onderworpen de neiging hebben om meer vloeistofachtig te worden [22,28-31]. Soortgelijke waarnemingen worden nu gedaan in embryo's [32]. De eigenschappen van cel- en weefselmateriaal weerspiegelen grotendeels de organisatie van hun actine-cytoskelet met hun verknopende eiwitten, de activiteit van motoreiwitten en de eigenschappen van de omringende extracellulaire matrix [33].

Eerder onderzoek voor verschillende celtypen en met gebruikmaking van verschillende experimentele methoden heeft aangetoond dat vervorming van de celvorm vaak (soms slechts gedeeltelijk) een afhankelijkheid van de machtswet van de tijdsvariabele volgt (zie kader 1) [34–36].

Samengevat vertegenwoordigt celplasticiteit een permanente vervorming van cellen en weefsels. Net als bij andere materialen, komt het alleen voor wanneer een spanning een bepaalde grootte- of duurdrempel overschrijdt. Het gaat vaak om modificaties van het cytoskelet of junctie, zoals hieronder verder zal worden besproken. Bovendien kunnen mechanotransductiegebeurtenissen bijdragen aan de permanente vervorming door signaalcascade te induceren, cytoskelet- of junctie-remodellering op te roepen of te vergemakkelijken (zie ook hieronder).

3. Onomkeerbare celvorm verandert door ratels

Ontwikkeling is over het algemeen onomkeerbaar, zowel op celniveau als op mechanisch niveau. Een kenmerkend kenmerk van veel veranderingen in de vorm van embryonale cellen die door time-lapse-onderzoeken worden onthuld, is dat ze stapsgewijs plaatsvinden. Dergelijke gebeurtenissen werden voor het eerst gemeld in Drosophila tijdens kiembandverlenging door celintercalatie als gevolg van asymmetrische junctieverkorting, of tijdens gastrulatie, dorsale sluiting of de vorming van enkele placodes, die afhankelijk zijn van apicale vernauwing [37-40]. Soortgelijke gebeurtenissen vinden ook plaats bij andere soorten, wat hun evolutionaire instandhouding impliceert [41–45]. Eerder werk heeft aangetoond dat de cycli van samentrekking en ontspanning het gevolg zijn van de tijdelijke vorming van corticale actomyosine-foci, die het apicale gebied vernauwen en aan knooppunten trekken, of in een planair gepolariseerd proces stromen naar dorsoventraal georiënteerde knooppunten en deze verkorten (figuur 2a,b) [38,39,46–48].

Figuur 2. Actinekabels en celknooppunten. (een) Actomyosine pulse in Drosophila resulterend in een celcontractie actine in groen, myosine in oranje. (B) De rol van myosine tijdens contracties, die zich lokaal concentreert langs kruispunten. (C) Tweede spierafhankelijke fase van C. elegans morfogenese, met epitheelcellen (roze) en de actinekabels (groen) merk ook een spiercel op die in grijs is aangegeven (er zijn vier longitudinale rijen van tien cellen, er wordt er slechts één getoond).

De Drosophila morfogenetische gebeurtenissen die hierboven zijn genoemd, hebben voornamelijk betrekking op grote en bijna platte weefsels. Daarentegen is de C. elegans embryo aan het einde van gastrulatie en celdelingen kan worden gemodelleerd als een langwerpige buis. De morfogenese ervan omvat een ander proces, dat niettemin herhaalde mechanische samentrekkingen omvat. Na de eerste fase van elongatie waarin het embryo zijn lengte verdubbelt onder invloed van niet-pulserende NMYII-gegenereerde krachten en van omtrek georiënteerde actinebundels die als moleculair korset fungeren, is het embryo afhankelijk van spiercontracties om verder te verlengen [49] (figuur 2C). Spieren aan weerszijden van het embryo trekken afwisselend elke 30-40 s samen, wat plaatselijk spanning veroorzaakt op de dorsale en ventrale epidermale cellen die in contact staan ​​met spieren en een reeks biochemische reacties in die cellen teweegbrengt via een mechanotransductieproces [50,51].

Gezien de hierboven genoemde periodiciteit voor niet-spier myosine II-pulsen en nematodenspiercontracties, die binnen een bereik valt dat compatibel is met een elastische respons van epitheelcellen na voorbijgaande vervormingen, is een fascinerende kwestie wat er op moleculair niveau gebeurt wanneer cellen permanent worden vervormd.

Er is voorgesteld dat dergelijke onomkeerbare veranderingen het gevolg zijn van een ratelproces (zie kader 1) [39] en dus overeenkomen met wat natuurkundigen verwijzen naar mechanische plasticiteit. Hetzelfde, C. elegans Er wordt gedacht dat verlenging optreedt via een ratelachtig proces omdat spiercontracties een stapsgewijze, in plaats van continue, wijziging van het actinekorset bevorderen [50]. In de natuurkunde is de Browniaanse ratel die voor het eerst werd geïntroduceerd door Marian Smoluchowski en later populair werd gemaakt door Richard Feynman, een theoretische ratel- en palmachine die nuttig werk kan extraheren uit willekeurige fluctuaties. Zoals Feynman aantoonde, zou het niet moeten werken omdat het de tweede wet van de thermodynamica zou schenden [52]. In een biologische context is echter een ratelextractie van orde en werk uit willekeurige fluctuaties mogelijk, om twee hoofdredenen. Ten eerste verbruiken biologische objecten energie - biologische motoren verbruiken bijvoorbeeld ATP dat georiënteerde conformatieveranderingen induceert. Ten tweede zijn veel biologische entiteiten asymmetrisch of gepolariseerd - bijvoorbeeld actine waarop myosines lopen heeft een polariteit (voor een diepgaande bespreking van ratels in de biologie, zie [53]). Het willekeurige aspect van biologische ratels hangt samen met thermische ruis en het feit dat actomyosinepulsen, of wormspiercontracties, niet gelijk zijn in tijd en ruimte.

Onlangs hebben twee groepen samengewerkt om een ​​methode in weefselkweekcellen te ontwerpen die de ratelachtige hermodellering nabootst die werd waargenomen in Drosophila tijdens kiembandverlenging [54,55]. Door RhoA-signalering genetisch te modificeren met behulp van optogenetica (zie kader 2), konden de onderzoekers de rekrutering van actomyosine lokaal en herhaaldelijk bevorderen. Deze aanpak stelde hen in staat om een ​​model van permanente junctievervorming te valideren, vergelijkbaar met een ratel met enkele junctie. Het voordeel is de mogelijkheid om de duur en intensiteit van de contractie op kruispunten te regelen door middel van laserblootstelling. Bovendien zagen ze dat de relatieve lengte van de kruising afnam tot ongeveer 20 minuten uitgeoefende spanning, waarna een verzadigingsverkorting van 25% werd bereikt.

Kader 2. Veelgebruikte en geavanceerde experimentele technieken.

Verschillende recente beoordelingen presenteren verschillende technieken (micropipet-aspiratie, parallelle plaatcompressie, FRET-biosensoren, laserablatie, optisch/magnetisch pincet en tractiekrachtmicroscopie) voor het kwantificeren van krachten in cellen, spanningen ter plaatse en specifiek in embryonale weefsels [61-63]. Deze beoordelingen zijn gemakkelijk te navigeren en zeer compleet. Daarom is het doel van deze box eenvoudig om enkele nieuwe experimentele technieken te belichten die misschien minder bekend zijn: een recente vooruitgang in optogenetica, de injectie van beweegbare deeltjes in levende systemen en een apparaat voor het uitrekken van gesuspendeerde epitheliale monolagen.

Optogenetica. Optogenetische controle van de RhoA GTPase-signaleringsactiviteit kan worden gebruikt met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie [64,65], om pulserende gebeurtenissen na te bootsen [54,55]. Door het lichtgevoelige eiwit LOVpep via genetische manipulatie in celmembranen te brengen, kan men een laser gebruiken om een ​​LOVpep-conformatieverandering te bevorderen en vervolgens een aangepaste versie van de RhoGEF LARG naar het membraan te trekken. Dit zal op zijn beurt lokaal de RhoA kleine GTPase activeren, vervolgens de Rho-kinase ROCK en de formine Diaphanous, om uiteindelijk myosine II-activering en actinepolymerisatie te bevorderen [54,55]. Door de laserpulsen meerdere keren te herhalen, kunnen de pulserende gebeurtenissen worden nagebootst die worden waargenomen tijdens het verlengen van de kiemband van de vlieg, hoewel door een langere pulserende periode (figuur 3een).

Magnetische deeltjes. De introductie van magnetische deeltjes en ferrovloeistoffen in levende cellen is gedaan door injectie in levende cellen Drosophila embryo's of door fagocytose van deeltjes die in hun omgeving zijn achtergebleven [21,57-59]. Duwen en trekken aan kralen via een oscillerend magnetisch veld (B) maakt het mogelijk om mechanische eigenschappen van cellen te meten (figuur 3B). Een verwante benadering was het gebruik van een optisch pincet om direct kracht uit te oefenen op juncties in Drosophila embryo's, die schatten dat de spanning in het bereik van 44 pN ligt aan het begin van de kiembandverlenging en in de loop van de tijd oploopt tot 100 pN [66,67].

Monolaag brancard. Nadat een epitheliale monolaag is gegroeid en deze vervolgens door enzymatische spijsvertering van zijn extracellulaire matrix is ​​​​gestript, kan men een monolaag verkrijgen die door twee staven in de lucht wordt gesuspendeerd. De linkerstang, die kan worden aangesloten op een gemotoriseerd rekapparaat, fungeert als zowel de brancard als de krachtopnemer en voelt de spanning in het weefsel dat in het apparaat wordt uitgeoefend [20,56]. Nadat het strekken heeft plaatsgevonden, zal het weefsel de spanning afvoeren via verlenging (figuur 3 .).C).

Figuur 3. Een paar nieuwe experimentele technieken en ratel. (een) Een illustratie van het LOVpep optogenetische contractiecontrolesysteem, gedeeltelijk ingebed in het plasmamembraan. (B) Een fibroblast met daarin een magnetische kraal die heen en weer wordt bewogen door de grote magneet in het zwart. (C) Een zwevende epitheliale monolaag zonder enige ECM (roze) die wordt uitgerekt door een systeem van staven, waarbij de beweegbare zich ook gedraagt ​​als een krachtopnemer om spanning te meten. (NS) Principe van een ratel geïllustreerd met een waterrad, die alleen stapsgewijs in één richting kan draaien (i) en geblokkeerd is in de andere (ii).

De progressieve en onomkeerbare veranderingen die hierboven zijn beschreven, hebben betrekking op een pulsgolfkracht, wat resulteert in periodieke relaxatiefasen. Verschillende benaderingen hebben de reologie van cellen onderzocht na het loslaten van stress. In één opstelling wordt een epitheliale monolaag gekweekt tussen twee parallelle staven, waarvan er één een buigbare krachtopnemer is, en vervolgens ontdaan van zijn ECM. Vervolgens wordt de monolaag tijdelijk met ten minste 30% uitgerekt en laat men ontspannen [20,56] (zie kader 2). De relaxatiecurve lijkt bifasisch, met een aanvankelijk snel elastisch herstel en een langzamere beweging naar een plastisch plateau. De eerste fase kan worden samengevat met een machtswet en de tweede met een exponentiële. Naast het geven van een nauwkeurige wiskundige beschrijving, werd het onderscheid tussen de twee relaxaties experimenteel gevalideerd toen ATP nodig bleek te zijn voor de tweede, maar niet de eerste fase [20]. In andere opstellingen vertoonden cellen of embryo's die werden blootgesteld aan een magnetisch veld na de introductie van microbeads, ferromagnetische vloeistof of ferromagnetische olie microdruppeltjes een snel aanvankelijk gedeeltelijk herstel gevolgd door een langzamere onvolledige relaxatie als gevolg van plastische veranderingen, zoals beschreven voor de gesuspendeerde monolaag [ 21,57-59]. Belangrijk is dat de relaxatietijd van de cortex in hetzelfde bereik ligt als de gebeurtenissen die worden waargenomen in embryonale processen zoals gastrulatie van de vlieg, kiembandverlenging en dorsale sluiting, waarbij de laatste contractiecycli van enkele minuten omvat [21,40,47,48,60].

Samengevat bestaat biologische plasticiteit uit onomkeerbare vervormingen, die vaak stapsgewijs optreden. Dit ratelachtige gedrag is vaak het resultaat van periodieke krachtinvoer, zoals de pulsen van NMYII, of spiercontracties, wat betekent dat ze ook door ATP worden aangedreven.

4. Moleculaire oorzaken van plasticiteit

Eerder werk heeft de belangrijke rol benadrukt van actine-remodellering bij het beïnvloeden van de reologie van geïsoleerde cellen [9,10,68]. Embryo's presenteren de toegevoegde complexiteit van het herbergen van verbindingen tussen epitheelcellen, die bijdragen aan hun mechanische eigenschappen en worden hermodelleerd na een mechanische uitdaging. Daarom zal junctie-remodellering waarschijnlijk ook bijdragen aan de reologie van weefsels. Recent werk met verschillende systemen heeft inderdaad de cruciale rol van actine en junctie-remodellering benadrukt. Bovendien heeft het het belang van stressdrempels aan het licht gebracht.

4.1. actine

Verschillende recente resultaten schetsen de belangrijkste bijdrage van actinedynamiek aan plasticiteit. Ten eerste verandert F-actine-depolymerisatie de langzame relaxatiereactie van een uitgerekte gesuspendeerde monolaag of membraanterugslag na het aantrekken Drosophila embryo's geïnjecteerd met een ferromagnetische vloeistof [21]. Bovendien vermindert het behandelen van een gesuspendeerde monolaag met een niet-spier myosine II (NMYII)-remmer of een algemene formine-remmer de plastische relaxatie van de monolaag, terwijl Arp 2/3 niet vereist is [20]. Een mogelijke waarschuwing bij de conclusie dat forminen bijdragen aan stressdissipatie, gebaseerd op het gebruik van de SMIFH2-remmer, is dat het ook myosine kan remmen [69]. Interessant is dat, terwijl de monolaagweerstand tegen uitrekken negen keer groter is dan die van celparen vanwege de aanwezigheid van verbindingen en intermediaire filamenten, de relaxatie van geïsoleerde cellen en van het gehele weefsel beide afhankelijk zijn van formines en NMYII [20,56]. Evenzo hebben experimenten met magnetische microbeads aangetoond dat het toevoegen van paraformaldehyde, een niet-specifiek verknopingsmiddel, de plasticiteit vermindert [57]. Hoewel de laatste experimenten geen precies moleculair doelwit van paraformaldehyde definiëren, zijn ze compatibel met het idee dat chemische verknoping het verschuiven of breken van de binding voorkomt. Interessant is dat het gedrag en de dynamiek van actinenetwerken afhankelijk zijn van hun architectuur. In vitro onderzoek naar actineringen wees uit dat een ring gemaakt van geordende actinefilamenten samentrekt, terwijl een ring van ongeordende filamenten dat niet deed [70]. Verder is enige verknoping vereist om de contractie te laten plaatsvinden, maar te veel verstijft het netwerk, zodat het uitdrukken van de contractiliteit van het netwerk als functie van zijn connectiviteit (aantal aanwezige verknopers) een klokkromme weergeeft [70] .

Ten tweede, zoals hierboven vermeld, de tweede fase van C. elegans verlenging vereist spieren. Deze samentrekkingen veroorzaken het buigen van actinekabels in de epidermis en bevorderen het doorsnijden ervan via villin en gelsoline [50]. De geknipte en vermoedelijk iets ingekorte actinekabels worden vervolgens gestabiliseerd door een complex met het α-spectrine SPC-1, het p21-geactiveerde kinase PAK-1 en het atypische formine FHOD-1. Interessant is dat gedeeltelijke moleculaire dissectie van FHOD-1 suggereert dat FHOD-1 werkt door actinefilamenten te bundelen of af te dekken in plaats van hun polymerisatie te bevorderen [50].

Ten derde, in Drosophila, blijkt dat een stabieler actinenetwerk, afhankelijk van de formine Frl/Fmnl, nodig is om de voortplanting van pulserende actomyosinekrachten te bevorderen [71]. Evenzo is het behoud van een sarcomeerachtige actomyosinestructuur die loodrecht op de richting van weefselvouwing is georiënteerd, die afhankelijk is van RhoA en NMYII, belangrijk voor apicale vernauwing [72-74]. Aan de andere kant, hoewel microtubuli nodig zijn om apicale vernauwing tijdens gastrulatie te bevorderen, lijken ze in andere omstandigheden overbodig om plastische celvormveranderingen te bevorderen [21,37,75,76].

4.2. Drempels

Verschillende heel verschillende benaderingen benadrukken dat de stapkracht een bepaald niveau moet bereiken om een ​​plastische vervorming waar te nemen. Ten eerste, de situatie waargenomen in C. elegans wanneer spiercontracties ervoor zorgen dat de omtrekskabels van actine worden gebogen voordat ze door villin worden doorgesneden [50] doet sterk denken aan in vitro waarnemingen die aantonen dat het actine-scheidende eiwit cofiline bij voorkeur filamenten snijdt die zijn gebogen onder een hoek van 57 ° [77]. Vandaar de buighoek, en dus de kracht die wordt geproduceerd door C. elegans spieren, kan dienen als een drempel waaronder geen actine-afsnijding zal optreden. Ten tweede, tijdens kiembandverlenging in Drosophila, hoe langer de pulserende actomyosine-foci, hoe onomkeerbaarder de verandering van de lengte van de junctie [67]. Verdere experimenten waarbij een optische pincet werd gebruikt om zijdelings aan kruispunten te trekken, bevestigden dat hoe langer de kracht, des te permanenter wordt het kruispunt afgebogen [67]. Interessant is dat in dit geval actine-turnover belangrijk bleek te zijn voor de dissipatie van stress tijdens ontspanning [67]. Ten derde, in het hierboven beschreven optogenetische systeem om junctieverkorting te induceren (box 2), moesten de onderzoekers het LOVpep-systeem gedurende een minimale tijd activeren om plastische vervorming van de junctie te observeren [54]. In de laatste twee systemen moet dus een minimale hoeveelheid kracht worden uitgeoefend om een ​​permanente verandering waar te nemen.

4.3. endocytose

Verschillende recente artikelen hebben een verband waargenomen tussen veranderingen in junctielengte in epitheliale monolagen en de lokale omzet van E-cadherine. Ten eerste onthulde optogenetische controle van de contractiliteit van de junctie dat endocytose van E-cadherine optrad tijdens het verkortingsproces. Immunofluorescentiekleuring toonde aan dat E-cadherine eerst puncta vormt in een formine-afhankelijke coalescentiegebeurtenis en vervolgens wordt geïnternaliseerd afhankelijk van dynamin [54]. Deze waarnemingen met kweekcellen recapituleren wat eerder was waargenomen in Drosophila tijdens kiembandverlenging [78]. Ten tweede, tijdens dorsale sluiting, die afhankelijk is van progressieve amnioserosa apicale celvernauwing, behouden juncties hun rechtheid ondanks dat ze korter worden door het samenspel tussen E-cadherine-endocytose en actomyosine-abundantie op knooppunten [79]. Wanneer een junctie wordt uitgerekt en de E-cadherine-dichtheid langs de junctie afneemt, stroomt er meer actomyosine uit de mediale pool om de integriteit van de junctie te behouden wanneer deze gerimpeld wordt. E-cadherine wordt endocytose (figuur 4)een). Deze resultaten wijzen op mechanosensitieve feedback tussen NMYII en knooppunten, evenals op een regulatie van endocytose door spanning. Een mogelijk verband tussen spanning en E-cadherine spanningsafhankelijke endocytose komt uit een onderzoek dat aantoont dat de omzet van E-cadherine wordt gereguleerd door een spanningsafhankelijke herlokalisatie van p120-catenine van knooppunten naar het cytoplasma. Als gevolg hiervan heeft de omzet van E-cadherine invloed op de weefselviscositeit [80].

Figuur 4. (een) E-cadherine langs knooppunten wordt na contractie verwijderd via endocytose. (B) Een typische weefselmonolaag beschreven door het hoekpuntmodel, met Λ als de spanning die de kruising veroorzaakt α van lengte L contracteren. (C) Illustratie van een actine-scheidend eiwit (geel) dat een actinefilament (groen) snijdt dat over een bepaalde hoek is gebogen in vitro door cofilin of in C. elegans door schurk en gelsolin.

Samenvattend zijn permanente vervormingen tot nu toe in verband gebracht met de hermodellering van vezelachtige netwerken in cellen, door middel van omzet of verknoping. Actine is de meest gerapporteerde actor in celplasticiteit en er zijn drempels zoals duur en amplitude van stress vastgesteld. Het is aangetoond dat plasticiteit van knooppunten het verkeer van E-cadherine omvat, dat wordt geïnternaliseerd tijdens knooppuntverkorting.

5. Modellering van celplasticiteit

Modellen uit de klassieke natuurkunde, vooral de mechanica, zijn nu de standaard in de biologie. Hier richten we ons op drie verschillende manieren om biologische plasticiteit te modelleren. Ondanks het feit dat ze viscositeits- en elasticiteitscomponenten bevatten, is het hun vermogen om permanente vervormingen te modelleren die ze uniek maken. De benadering om plastische vervormingen weer te geven bestaat meestal uit een elastisch model waarin het veranderen van de rustlengte van een veer wordt geïntroduceerd [81]. Het eerste model beschouwt de moleculaire veranderingen die plaatsvinden langs knooppunten, het derde model beschrijft de bulkeigenschappen van het systeem zonder specifieke verwijzing naar de moleculaire aard van de veranderingen, terwijl het tweede model enkele moleculaire aspecten combineert met bulkeigenschappen.

The first is a vertex model, modified for permanent deformation of cell junctions in a tissue. The second, a Kelvin–Voigt model including a ratchet-like component, describes the elongation of the C. elegans embryo and involves information regarding the underlying molecular causes responsible for the plasticity of the epidermal tissue. Finally, a pair of iterated equations corresponding to an extension of a common viscoelastic power law is shown. This last model contains only a few macroscopic parameters, which very accurately reproduces the permanent changes of a fibroblast after it was subjected to multiple deformation cycles using a magnetic bead.

The vertex model is a common cellular-level description used to account for the behaviour of a two-dimensional tissue of polygonal cells [82,83]. It describes cells of different sizes interacting through tension along their shared junctions (figure 4B). Cells commonly change shape in a coordinated manner, causing permanent tissue deformations during morphogenesis. This can involve junction length modifications and cell intercalation initiated by junction remodelling [84]. The mechanical energy of the tissue is given by [55]:

The first term describes how cells resist compression, with EENα the area of cell α, en EEN0 the area at rest K is the elasticity constant (J m −4 ) . The second describes how neighbouring cells and actomyosin contractions pull on junctions and deform them. This second term results from actomyosin contractility in the cell cortex and intercellular junctions P stands for the perimeters of the cells, and Γ is the elastic constant for contractility. The energy equation above gives the final state of the system when the tissue relaxes. Depending on the values given for the preferred area and perimeter, the tissue can flow like a viscous liquid or rebound like an elastic solid.

In classical vertex models, the interfacial tension and junction contractility remain constant [83]. However, when junctions shorten in a pulsatile fashion, tension changes such that the model cannot explain the ratchet-like shortening of the junctions and the permanent tissue deformation (for more complete explanations, see [55]). The modified mechanical energy equation for permanent deformation is as follows:

Here, the term Λij corresponds to the tension along the edge ij, en εlJ is the attendant strain, the tension being the axial pulling force and the strain being the extent of the deformation. The two are related according to Λij = Yεij, met Y as a spring constant this equation means that the tension along junctions varies, depending on the strain. The final step towards permanent deformation is to make the strain evolve beyond a critical strain εC. In that case, the more a junction is compressed, the faster its resting length will shrink. Simply put, if one were to compress a junction, it would remain slightly shorter after letting go due to the fact that the derivative of the resting length λ (figuur 4B) is no longer zero. This model reproduces the junction behaviour, but only for one cycle. A complete ratchet-like multi-cycle model of the junction shortening requires that the resting length and the tension are both functions of the strain [55]. In addition to its predictive power, this model involves parameters at the subcellular level, such as the tension along the junctions and the strain. This model assumes that neighbouring cells in a tissue have identical mechanical properties, which is often not the case.

A second example with an adjustable resting length describes the elongation of the C. elegans embryo, which proceeds in a ratchet-like manner thanks to muscle contractions (see above figure 3NS). As mentioned, muscles cause the bending of concentric actin cables beyond a critical angle, which causes villin to sever them, a phenomenon that has been observed directly in vitro using cofilin (figure 4C) [50,77]. In that case, the evolution of the embryo length, ik, has been described using a modified Kelvin–Voigt model with the following equation [50]:

The first term consists of the viscosity η multiplied by the rate of the change in length dik/NSt, which means that the resistance to movement increases with the speed of the movement. The next term is a spring equation with k as its constant and λ as its resting length. The final terms are forces actively generated by the muscles and the epidermis. Notice that this force equation is similar to the spatial derivative of the energy equation (5.2) in the previous model. Notice that this model assumes that the viscosity and elasticity of the entire worm can be described using two constants, η en k, which is not strictly accurate.

The force from the epidermis is generated by an active component, actomyosin contractility in the lateral epidermal cells (Fnaad), and a passive force depending on the same concentric actin bundles stretching circumferentially. These active and passive epidermal forces are related by

A related model is used to describe the slow relaxation phase of a suspended epithelial monolayer using a dashpot and spring in parallel, or a Maxwell model [20]. Again, writing that the time derivative of the spring's resting length is related to the strain is sufficient to predict the permanent deformation of the tissue. A very similar approach has also been used to describe the relaxation of the Drosophila embryo cortex [21].

The last model we present describes the rheological properties of an isolated fibroblast, in which a magnetic bead is cyclically pulled to deform the cell (figure 3B). The model itself is borrowed from mechanics and is simply a modified viscoelastic power law response theory relying exclusively on compliances [57]. It represents the displacement, during and after the external deformation, respectively, as follows:

The parameters Cve en CPik are the viscoelastic and plastic compliances. The different times are as follows: t is time, t0 the duration of the applied force F en t1 is when the force is removed. Only three parameters are required: the viscoelastic and plastic compliances, and the exponent of the time variable β. With only bulk properties as parameters, this model can describe a system for which the molecular details are unknown and can reproduce six deformation cycles.

The models mentioned above require the resting length to evolve as a function of time. To some extent, they also require information about molecular-level phenomena, such as the tension along with the junction or actin integrity. In these respects, they are different from the viscoelastic power law model, which deals with compliances (which are bulk properties) and the exponent of the time variable. In other words, these different models are implementations of plasticity at different scales, such as the cell or tissue levels.

The three models highlighted in this article are only a few among some that have been established and provide an idea of the utility, the mechanics, the complexity and the variety available. The vertex model describes junctions at the cell scale and, like the viscoplastic model for the C. elegans embryo that follows, requires changing a resting length. Without this extra condition, the deformation would be transient. By contrast, the third model relies on a couple of iterated equations and each iteration of the set accounts for the permanent change. This latter approach is impressive in its ability to reproduce a large number of stress/relaxation events. As mentioned, the final two approaches use continuum models describing the behaviour of the bulk of their systems. For instance, the third model describing a fibroblast did not require any information regarding the subcellular components only bulk mechanical properties such as compliance are employed. Such considerations can be weighed when choosing a model for one's system.

6. Summary and outlook

We have discussed how live-cell imaging and genetic studies in embryos, as well as novel methods with culture cells to study deformation with a better handle on force magnitude and duration, are converging to highlight the importance of actin remodelling to bring irreversible cell shape changes or dissipate tension. In many cases, this irreversibility involves a ratchet mechanism with threshold levels of forces to achieve permanent deformation.

While studies have so far converged on the importance of actin and E-cadherin turnover, the molecular details have not yet been fully laid out. It will be important to define whether there are shared biophysical processes common to several cell types, or if scenarios differ depending on whether the cell undergoes apical constriction or polarized junction shrinking. The molecular nature of the feedback pathways regulating junction viscoelasticity and force dissipation remains to be worked out. In particular, the role that mechanotransduction is bound to play in such processes has not been systematically explored. We generally know that adherens junction turnover is mechanosensitive [80], that NMYII enrichment at junctions is also mechanosensitive [79] or that muscle contractions induce PAK-1 activity in C. elegans [51], but this must be the tip of the iceberg. Further work is necessary to identify the molecular targets of the mechanical thresholds leading to viscoplasticity and the mechanical sensors responding to tension. Work in C. elegans has suggested that the degree of actin filament bending could correspond to a threshold and has identified several proteins involved in actin remodelling—it will be interesting to see how general this can be. Finally, the link between the parameters in the mechanical models and molecular entities is at best tentative, and it would help to connect them. The novel approaches recently designed to probe cell mechanics in vitro are offering exciting perspectives to complement the power of genetic analysis in vivo.


Referenties

Humphries, J. D., Byron, A. & Humphries, M. J. Integrin ligands at a glance. J. Cel Wetenschap. 119, 3901–3903 (2006).

Maartens, A. P. & Brown, N. H. Anchors and signals: the diverse roles of integrins in development. Curr. Bovenkant. Dev. Biol. 112, 233–272 (2015).

Mould, A. P. & Humphries, M. J. Regulation of integrin function through conformational complexity: not simply a knee-jerk reaction? Curr. Opin. Cell Biol. 16, 544–551 (2004).

De Franceschi, N., Hamidi, H., Alanko, J., Sahgal, P. & Ivaska, J. Integrin traffic—the update. J. Cel Wetenschap. 128, 839–852 (2015).

Shattil, S. J., Kim, C. & Ginsberg, M. H. The final steps of integrin activation: the end game. nat. ds. Mol. Cell Biol. 11, 288–300 (2010).

Kim, C., Ye, F. & Ginsberg, M. H. Regulation of integrin activation. Ann. ds. Cell Dev. Biol. 27, 321–345 (2011).

Legate, K. R. & Fassler, R. Mechanisms that regulate adaptor binding to β-integrin cytoplasmic tails. J. Cel Wetenschap. 122, 187–198 (2009).

Arjonen, A., Alanko, J., Veltel, S. & Ivaska, J. Distinct recycling of active and inactive β1 integrins. Traffic 13, 610–625 (2012).

Nieswandt, B., Varga-Szabo, D. & Elvers, M. Integrins in platelet activation. J. Thromb. Haemost 7, 206–209 (2009).

Bouvard, D., Pouwels, J., De Franceschi, N. & Ivaska, J. Integrin inactivators: balancing cellular functions in vitro and in vivo. nat. ds. Mol. Cell Biol. 14, 432–444 (2013).

Sun, Z., Costell, M. & Fassler, R. Integrin activation by talin, kindlin and mechanical forces. nat. cel bio. (2019).

Horton, E. R. et al. Definition of a consensus integrin adhesome and its dynamics during adhesion complex assembly and disassembly. nat. Cell Biol. 17, 1577–1587 (2015).

Horton, E. R. et al. The integrin adhesome network at a glance. J. Cel Wetenschap. 129, 4159–4163 (2016).

Paul, N. R., Jacquemet, G. & Caswell, P. T. Endocytic trafficking of integrins in cell migration. Curr. Biol. 25, R1092–R1105 (2015).

Valdembri, D. & Serini, G. Regulation of adhesion site dynamics by integrin traffic. Curr. Opin. Cell Biol. 24, 582–591 (2012).

Alanko, J. et al. Integrin endosomal signalling suppresses anoikis. nat. Cell Biol. 17, 1412–1421 (2015).

Nader, G. P. F., Ezratty, E. J. & Gundersen, G. G. FAK, talin and PIPKIγ regulate endocytosed integrin activation to polarize focal adhesion assembly. nat. Cell Biol. 18, 491–503 (2016).

Ivaska, J. & Heino, J. Cooperation between integrins and growth factor receptors in signaling and endocytosis. Ann. ds. Cell Dev. Biol. 27, 291–320 (2011).

Barrow-McGee, R. et al. 1-integrin–c-Met cooperation reveals an inside-in survival signalling on autophagy-related endomembranes. nat. gemeenschappelijk. 7, 11942 (2016).

Wilson, B. J., Allen, J. L. & Caswell, P. T. Vesicle trafficking pathways that direct cell migration in 3D and in vivo. Traffic. https://doi.org/10.1111/tra.12605 (2018).

Zhen, Y. & Stenmark, H. Cellular functions of Rab GTPases at a glance. J. Cel Wetenschap. 128, 3171–3176 (2015).

Lobert, V. H. et al. Ubiquitination of α5β1 integrin controls fibroblast migration through lysosomal degradation of fibronectin–integrin complexes. Dev. Cel 19, 148–159 (2010).

Huet-Calderwood, C. et al. Novel ecto-tagged integrins reveal their trafficking in live cells. nat. gemeenschappelijk. 8, 570 (2017).

Dozynkiewicz, M. A. et al. Rab25 and CLIC3 collaborate to promote integrin recycling from late endosomes/lysosomes and drive cancer progression. Dev. Cel 22, 131–145 (2012).

Bridgewater, R. E., Norman, J. C. & Caswell, P. T. Integrin trafficking at a glance. J. Cel Wetenschap. 125, 3695–3701 (2012).

Kaksonen, M. & Roux, A. Mechanisms of clathrin-mediated endocytosis. nat. ds. Mol. Cell Biol. 19, 313–326 (2018).

Nishimura, T. & Kaibuchi, K. Numb controls integrin endocytosis for directional cell migration with aPKC and PAR-3. Dev. Cel 13, 15–28 (2007).

Ezratty, E. J., Partridge, M. A. & Gundersen, G. G. Microtubule-induced focal adhesion disassembly is mediated by dynamin and focal adhesion kinase. nat. Cell Biol. 7, 581–590 (2005).

Ezratty, E. J., Bertaux, C., Marcantonio, E. E. & Gundersen, G. G. Clathrin mediates integrin endocytosis for focal adhesion disassembly in migrating cells. J. Cell Biol. 187, 733–747 (2009).

Eskova, A. et al. An RNAi screen identifies KIF15 as a novel regulator of the endocytic trafficking of integrin. J. Cel Wetenschap. 127, 2433–2447 (2014).

Atherton, P., Lausecker, F., Harrison, A. & Ballestrem, C. Low-intensity pulsed ultrasound promotes cell motility through vinculin-controlled Rac1 GTPase activity. J. Cel Wetenschap. 130, 2277–2291 (2017).

Lakshminarayan, R. et al. Galectin-3 drives glycosphingolipid-dependent biogenesis of clathrin-independent carriers. nat. Cell Biol. 16, 592–603 (2014).

Doherty, G. J. et al. The endocytic protein GRAF1 is directed to cell–matrix adhesion sites and regulates cell spreading. Mol. Biol. Cel 22, 4380–4389 (2011).

Bass, M. D. et al. A syndecan-4 hair trigger initiates wound healing through caveolin- and RhoG-regulated integrin endocytosis. Dev. Cel 21, 681–693 (2011).

del Pozo, M. A. et al. Phospho-caveolin-1 mediates integrin-regulated membrane domain internalization. nat. Cell Biol. 7, 901–908 (2005).

Shi, F. & Sottile, J. Caveolin-1-dependent 1 integrin endocytosis is a critical regulator of fibronectin turnover. J. Cel Wetenschap. 121, 2360–2371 (2008).

Fabbri, M. et al. Dynamic partitioning into lipid rafts controls the endo-exocytic cycle of the αL2 integrin, LFA-1, during leukocyte chemotaxis. Mol. Biol. Cel 16, 5793–5803 (2005).

Gu, Z., Noss, E. H., Hsu, V. W. & Brenner, M. B. Integrins traffic rapidly via circular dorsal ruffles and macropinocytosis during stimulated cell migration. J. Cell Biol. 193, 61–70 (2011).

Pellinen, T. et al. Small GTPase Rab21 regulates cell adhesion and controls endosomal traffic of β1-integrins. J. Cell Biol. 173, 767–780 (2006).

Astro, V. et al. Liprin-α1 and ERC1 control cell edge dynamics by promoting focal adhesion turnover. Sci. vertegenwoordiger 6, 33653 (2016).

Astro, V., Chiaretti, S., Magistrati, E., Fivaz, M. & de Curtis, I. Liprin- 1, ERC1 and LL5 define polarized and dynamic structures that are implicated in cell migration. J. Cel Wetenschap. 127, 3862–3876 (2014).

Calderwood, D. A. et al. Integrin cytoplasmic domain interactions with phosphotyrosine-binding domains: a structural prototype for diversity in integrin signaling. Proc. Natl Acad. Sci. VS 100, 2272–2277 (2003).

Sandri, C. et al. The R-Ras/RIN2/Rab5 complex controls endothelial cell adhesion and morphogenesis via active integrin endocytosis and Rac signaling. Cel res. 22, 1479–1501 (2012).

Teckchandani, A. et al. Quantitative proteomics identifies a Dab2/integrin module regulating cell migration. J. Cell Biol. 186, 99–111 (2009).

Teckchandani, A., Mulkearns, E. E., Randolph, T. W., Toida, N. & Cooper, J. A. The clathrin adaptor Dab2 recruits EH domain scaffold proteins to regulate integrin 1 endocytosis. Mol. Biol. Cel 23, 2905–2916 (2012).

Ramsay, A. G. et al. HS1-associated protein X-1 regulates carcinoma cell migration and invasion via clathrin-mediated endocytosis of integrin αvβ6. Kanker onderzoek. 67, 5275–5284 (2007).

De Franceschi, N. et al. Selective integrin endocytosis is driven by interactions between the integrin α-chain and AP2. nat. structuur. Mol. Biol. 23, 172–179 (2016).

Yu, C. H. et al. Integrin-β3 clusters recruit clathrin-mediated endocytic machinery in the absence of traction force. nat. gemeenschappelijk. 6, 8672 (2015).

Mygind, K. J., Schwarz, J., Sahgal, P., Ivaska, J. & Kveiborg, M. Loss of ADAM9 expression impairs β1 integrin endocytosis, focal adhesion formation and cancer cell migration. J. Cel Wetenschap. 131, jcs205393 (2018).

Morgan, M. R. et al. Syndecan-4 phosphorylation is a control point for integrin recycling. Dev. Cel 24, 472–485 (2013).

Mai, A. et al. Distinct c-Met activation mechanisms induce cell rounding or invasion through pathways involving integrins, RhoA and HIP1. J. Cel Wetenschap. 127, 1938–1952 (2014).

Hang, Q. et al. A key regulator of cell adhesion: identification and characterization of important N-glycosylation sites on integrin α5 for cell migration. Mol. Cel. Biol. 37, e00558–16 (2017).

Caswell, P. T. et al. Rab25 associates with α5β1 integrin to promote invasive migration in 3D microenvironments. Dev. Cel 13, 496–510 (2007).

Zon, L. et al. Rab34 regulates adhesion, migration, and invasion of breast cancer cells. oncogen 37, 3698–3714 (2018).

Argenzio, E. et al. CLIC4 regulates cell adhesion and 1 integrin trafficking. J. Cel Wetenschap. 127, 5189–5203 (2014).

Allaire, P. D. et al. Interplay between Rab35 and Arf6 controls cargo recycling to coordinate cell adhesion and migration. J. Cel Wetenschap. 126, 722–731 (2013).

Riggs, K. A. et al. Regulation of integrin endocytic recycling and chemotactic cell migration by syntaxin 6 and VAMP3 interaction. J. Cel Wetenschap. 125, 3827–3839 (2012).

Tiwari, A. et al. Endothelial cell migration on fibronectin is regulated by syntaxin 6-mediated α5β1 integrin recycling. J. Biol. Chem. 286, 36749–36761 (2011).

Shafaq-Zadah, M. et al. Persistent cell migration and adhesion rely on retrograde transport of β1 integrin. nat. Cell Biol. 18, 54–64 (2016).

McNally, K. E. et al. Retriever is a multiprotein complex for retromer-independent endosomal cargo recycling. nat. Cell Biol. 19, 1214–1225 (2017).

Böttcher, R. T. et al. Sorting nexin 17 prevents lysosomal degradation of β1 integrins by binding to the β1-integrin tail. nat. Cell Biol. 14, 584–592 (2012).

Steinberg, F., Heesom, K. J., Bass, M. D. & Cullen, P. J. SNX17 protects integrins from degradation by sorting between lysosomal and recycling pathways. J. Cell Biol. 197, 219–230 (2012).

Ratcliffe, C. D. H., Sahgal, P., Parachoniak, C. A., Ivaska, J. & Park, M. Regulation of cell migration and β1 integrin trafficking by the endosomal adaptor GGA3. Traffic 17, 670–688 (2016).

Diggins, N. L., Kang, H., Weaver, A. & Webb, D. J. α5β1 integrin trafficking and Rac activation are regulated by APPL1 in a Rab5-dependent manner to inhibit cell migration. J. Cel Wetenschap. 131, jcs207019 (2018).

Sahgal, P. et al. GGA2 and RAB13 regulate activity-dependent β1-integrin recycling. Preprint at https://www.biorxiv.org/content/early/2018/06/22/353086 (2018).

Perini, E. D., Schaefer, R., Stöter, M., Kalaidzidis, Y. & Zerial, M. Mammalian CORVET is required for fusion and conversion of distinct early endosome subpopulations. Traffic 15, 1366–1389 (2014).

Jonker, C. T. H. et al. Vps3 and Vps8 control integrin trafficking from early to recycling endosomes and regulate integrin-dependent functions. nat. gemeenschappelijk. 9, 792 (2018).

Zech, T. et al. The Arp2/3 activator WASH regulates α5β1-integrin-mediated invasive migration. J. Cel Wetenschap. 124, 3753–3759 (2011).

Jacquemet, G., Humphries, M. J. & Caswell, P. T. Role of adhesion receptor trafficking in 3D cell migration. Curr. Opin. Cell Biol. 25, 627–632 (2013).

Mana, G. et al. PPFIA1 drives active α5β1 integrin recycling and controls fibronectin fibrillogenesis and vascular morphogenesis. nat. gemeenschappelijk. 7, 13546 (2016).

Hamidi, H. & Ivaska, J. Vascular morphogenesis: an integrin and fibronectin highway. Curr. Biol. 27, R158–R161 (2017).

Rainero, E. Extracellular matrix internalization links nutrient signalling to invasive migration. Int. J. Exp. pad. 99, 4–9 (2018).

Bridgewater, R. E., Streuli, C. H. & Caswell, P. T. Extracellular matrix promotes clathrin-dependent endocytosis of prolactin and STAT5 activation in differentiating mammary epithelial cells. Sci. Rep. 7, 4572 (2017).

Du, J. et al. Integrin activation and internalization on soft ECM as a mechanism of induction of stem cell differentiation by ECM elasticity. Proc. Natl Acad. Sci. VS 108, 9466–9471 (2011).

Caswell, P. & Norman, J. Endocytic transport of integrins during cell migration and invasion. Trends Cell Biol 18, 257–263 (2008).

Hamidi, H., Pietilä, M. & Ivaska, J. The complexity of integrins in cancer and new scopes for therapeutic targeting. Br. J. Cancer 115, 1017–1023 (2016).

Hamidi, H. & Ivaska, J. Every step of the way: integrins in cancer progression and metastasis. nat. Rev. Kanker 18, 533–548 (2018).

Meighan, C. M. & Schwarzbauer, J. E. Temporal and spatial regulation of integrins during development. Curr. Opin. Cell Biol. 20, 520–524 (2008).

Akhtar, N. & Streuli, C. H. An integrin–ILK–microtubule network orients cell polarity and lumen formation in glandular epithelium. nat. Cell Biol. 15, 17–27 (2013).

Bryant, D. M. & Mostov, K. E. From cells to organs: building polarized tissue. nat. ds. Mol. Cell Biol. 9, 887–901 (2008).

Lee, J. L. & Streuli, C. H. Integrins and epithelial cell polarity. J. Cel Wetenschap. 127, 3217–3225 (2014).

Bedzhov, I. & Zernicka-Goetz, M. Self-organizing properties of mouse pluripotent cells initiate morphogenesis upon implantation. Cel 156, 1032–1044 (2014).

Shahbazi, M. N. & Zernicka-Goetz, M. Deconstructing and reconstructing the mouse and human early embryo. nat. Cell Biol. 20, 878–887 (2018).

Bogdanović, O. et al. Numb/Numbl–Opo antagonism controls retinal epithelium morphogenesis by regulating integrin endocytosis. Dev. Cel 23, 782–795 (2012).

Martinez-Morales, J. R. et al. Ojoplano-mediated basal constriction is essential for optic cup morphogenesis. Ontwikkeling 136, 2165–2175 (2009).

Valdembri, D. et al. Neuropilin-1/GIPC1 signaling regulates α5β1 integrin traffic and function in endothelial cells. PLoS Biol. 7, e25 (2009).

Hakanpaa, L. et al. Endothelial destabilization by angiopoietin-2 via integrin β1 activation. nat. gemeenschappelijk. 6, 5962 (2015).

Hakanpaa, L. et al. Targeting β1-integrin inhibits vascular leakage in endotoxemia. Proc. Natl Acad. Sci. VS 115, E6467–E6476 (2018).

Georgiadou, M. et al. AMPK negatively regulates tensin-dependent integrin activity. J. Cell Biol. 216, 1107–1121 (2017).

Rainero, E. et al. Ligand-occupied integrin internalization links nutrient signaling to invasive migration. Mobiele vertegenwoordiger 10, 398–413 (2015).

Goreczny, G. J., Forsythe, I. J. & Turner, C. E. Hic-5 regulates fibrillar adhesion formation to control tumor extracellular matrix remodeling through interaction with tensin1. oncogen 37, 1699–1713 (2018).

Muranen, T. et al. Starved epithelial cells uptake extracellular matrix for survival. nat. gemeenschappelijk. 8, 13989 (2017).

Georgiadou, M. & Ivaska, J. Tensins: bridging AMP-activated protein kinase with integrin activation. Trends Cell Biol 27, 703–711 (2017).

Yuan, L., Fairchild, M. J., Perkins, A. D. & Tanentzapf, G. Analysis of integrin turnover in fly myotendinous junctions. J. Cel Wetenschap. 123, 939–946 (2010).

Pines, M. et al. Mechanical force regulates integrin turnover in Drosophila in levende lijve. nat. Cell Biol. 14, 935–943 (2012).

López-Ceballos, P., Herrera-Reyes, A. D., Coombs, D. & Tanentzapf, G. In vivo regulation of integrin turnover by outside-in activation. J. Cel Wetenschap. 129, 2912–2924 (2016).

Wallroth, A. & Haucke, V. Phosphoinositide conversion in endocytosis and the endolysosomal system. J. Biol. Chem. 293, 1526–1535 (2018).

Ribeiro, I., Yuan, L., Tanentzapf, G., Dowling, J. J. & Kiger, A. Phosphoinositide regulation of integrin trafficking required for muscle attachment and maintenance. PLoS Genet. 7, e1001295 (2011).

Ketel, K. et al. A phosphoinositide conversion mechanism for exit from endosomes. Natuur 529, 408–412 (2016).

Brower, D. L. Platelets with wings: the maturation of Drosophila integrin biology. Curr. Opin. Cell Biol. 15, 607–613 (2003).

Bhuin, T. & Roy, J. K. Rab11 is required for cell adhesion, maintenance of cell shape and actin-cytoskeleton organization during Drosophila wing development. Int. J. Dev. Biol. 55, 269–279 (2011).

Tsunoyama, T. A. et al. Super-long single-molecule tracking reveals dynamic-anchorage-induced integrin function. nat. Chem. Biol. 14, 497–506 (2018).

Hogg, N., Patzak, I. & Willenbrock, F. The insider’s guide to leukocyte integrin signalling and function. nat. Rev. Immunol. 11, 416–426 (2011).

Strachan, L. R. & Condic, M. L. Cranial neural crest recycle surface integrins in a substratum-dependent manner to promote rapid motility. J. Cell Biol. 167, 545–554 (2004).

Spicer, E., Suckert, C., Al-Attar, H. & Marsden, M. Integrin α5β1 function is regulated by XGIPC/kermit2 mediated endocytosis during Xenopus laevis gastrulation. PLoS ONE 5, e10665 (2010).

Lilja, J. & Ivaska, J. Integrin activity in neuronal connectivity. J. Cel Wetenschap. 131, jcs212803 (2018).

Clegg, D. O., Wingerd, K. L., Hikita, S. T. & Tolhurst, E. C. Integrins in the development, function and dysfunction of the nervous system. Voorkant. Biosc. 8, d723–d750 (2003).

Franco, S. J. & Müller, U. Extracellular matrix functions during neuronal migration and lamination in the mammalian central nervous system. Dev. neurobiol. 71, 889–900 (2011).

Frick, A. et al. Proper cerebellar development requires expression of β1-integrin in Bergmann glia, but not in granule neurons. Glia 60, 820–832 (2012).

Myers, J. P., Santiago-Medina, M. & Gomez, T. M. Regulation of axonal outgrowth and pathfinding by integrin–ECM interactions. Dev. neurobiol. 71, 901–923 (2011).

Wojnacki, J. & Galli, T. Membrane traffic during axon development. Dev. neurobiol. 76, 1185–1200 (2016).

Eva, R. et al. ARF6 directs axon transport and traffic of integrins and regulates axon growth in adult DRG neurons. J. Neurosci. 32, 10352–10364 (2012).

Eva, R. et al. Rab11 and its effector Rab coupling protein contribute to the trafficking of β1 integrins during axon growth in adult dorsal root ganglion neurons and PC12 cells. J. Neurosci. 30, 11654–11669 (2010).

Falk, J., Konopacki, F. A., Zivraj, K. H. & Holt, C. E. Rab5 and Rab4 regulate axon elongation in the Xenopus visual system. J. Neurosci. 34, 373–391 (2014).

Koseki, H. et al. Selective Rab11 transport and the intrinsic regenerative ability of CNS axons. eLife 6, e26956 (2017).

Nieuwenhuis, B., Haenzi, B., Andrews, M. R., Verhaagen, J. & Fawcett, J. W. Integrins promote axonal regeneration after injury of the nervous system. Biol. ds. 93, 1339–1362 (2018).

Rehberg, K. et al. The serine/threonine kinase Ndr2 controls integrin trafficking and integrin-dependent neurite growth. J. Neurosci. 34, 5342–5354 (2014).

Das, L. et al. Characterization of laminin binding integrin internalization in prostate cancer cells. J. cel. Biochem. 118, 1038–1049 (2017).

Spiess, M. et al. Active and inactive β1 integrins segregate into distinct nanoclusters in focal adhesions. J. Cell Biol. 217, 1929–1940 (2018).

Eisler, S.A. et al. A Rho signaling network links microtubules to PKD controlled carrier transport to focal adhesions. eLife 7, e35907 (2018).

De Franceschi, N. et al. ProLIF—quantitative integrin protein–protein interactions and synergistic membrane effects on proteoliposomes. J. Cel Wetenschap. 132, jcs214270 (2018).

Streicher, P. et al. Integrin reconstituted in GUVs: a biomimetic system to study initial steps of cell spreading. Biochim. Biofysica. Acta 1788, 2291–2300 (2009).

Man, Y. K. S. et al. The novel oncolytic adenoviral mutant Ad5–3Δ-A20T retargeted to αvβ6 integrins efficiently eliminates pancreatic cancer cells. Mol. Cancer Ther. 17, 575–587 (2018).

Rainero, E. & Norman, J. C. Late endosomal and lysosomal trafficking during integrin-mediated cell migration and invasion: cell matrix receptors are trafficked through the late endosomal pathway in a way that dictates how cells migrate. Bio-essays 35, 523–532 (2013).

Wang, Y. et al. Formin-like 2 promotes β1-integrin trafficking and invasive motility downstream of PKCα. Dev. Cel 34, 475–483 (2015).

Hines, J. H., Abu-Rub, M. & Henley, J. R. Asymmetric endocytosis and remodeling of β1-integrin adhesions during growth cone chemorepulsion by MAG. nat. neurosci. 13, 829–837 (2010).

Palamidessi, A. et al. The GTPase-activating protein RN-tre controls focal adhesion turnover and cell migration. Curr. Biol. 23, 2355–2364 (2013).

Qu, F. et al. Ankyrin-B is a PI3P effector that promotes polarized α5β1-integrin recycling via recruiting RabGAP1L to early endosomes. eLife 5, e20417 (2016).

Maekawa, M. et al. Cullin-3 and its adaptor protein ANKFY1 determine the surface level of integrin β1 in endothelial cells. Biol. Open 6, 1707–1719 (2017).

Theret, L. et al. Identification of LRP-1 as an endocytosis and recycling receptor for β1-integrin in thyroid cancer cells. Oncotarget 8, 78614–78632 (2017).

Wujak, L. et al. Low density lipoprotein receptor-related protein 1 couples β1 integrin activation to degradation. Cel. Mol. Levenswetenschap. 75, 1671–1685 (2018).

Margiotta, A., Progida, C., Bakke, O. & Bucci, C. Rab7a regulates cell migration through Rac1 and vimentin. Biochim. Biofysica. Acta Mol. Cel res 1864, 367–381 (2017).

Das, L. et al. Novel regulation of integrin trafficking by Rab11–FIP5 in aggressive prostate cancer. Mol. Kanker onderzoek. 16, 1319–1331 (2018).

Hülsbusch, N., Solis, G. P., Katanaev, V. L. & Stuermer, C. A. O. Reggie-1/flotillin-2 regulates integrin trafficking and focal adhesion turnover via Rab11a. EUR. J. Cell Biol. 94, 531–545 (2015).

Icha, J., Weber, M., Waters, J. C. & Norden, C. Phototoxicity in live fluorescence microscopy, and how to avoid it. Bio-essays 39, 1700003 (2017).

Laissue, P. P., Alghamdi, R. A., Tomancak, P., Reynaud, E. G. & Shroff, H. Assessing phototoxicity in live fluorescence imaging. nat. Methoden: 14, 657–661 (2017).

Liu, T. L. et al. Observing the cell in its native state: imaging subcellular dynamics in multicellular organisms. Wetenschap 360, eaaq1392 (2018).

Picco, A. & Kaksonen, M. Quantitative imaging of clathrin-mediated endocytosis. Curr. Opin. Cell Biol. 53, 105–110 (2018).

Elkhatib, N. et al. Tubular clathrin/AP-2 lattices pinch collagen fibers to support 3D cell migration. Wetenschap 356, eaal4713 (2017).

Nordenfelt, P. et al. Direction of actin flow dictates integrin LFA-1 orientation during leukocyte migration. nat. gemeenschappelijk. 8, 2047 (2017).

Martineau, M. et al. Semisynthetic fluorescent pH sensors for imaging exocytosis and endocytosis. nat. gemeenschappelijk. 8, 1412 (2017).

Wood, L. A., Larocque, G., Clarke, N. I., Sarkar, S. & Royle, S. J. New tools for hot-wiring clathrin-mediated endocytosis with temporal and spatial precision. J. Cell Biol. 216, 4351–4365 (2017).


Welkom!

The Department of Cell and Tissue Biology (CTB) was established in 2005 and includes 15 faculty with primary appointments and three faculty with secondary appointments. Additionally, the department is home to numerous postdoctoral fellows as well as graduate students in programs ranging from Biomedical Sciences, Tetrad and Biophysics to Developmental & Stem Cell Biology and Oral & Craniofacial Sciences. Faculty research interests include cell biology mechanisms relevant to cytoskeletal dynamics, development, metabolism, cancer, immunology and neurobiology, which are focus areas of our department. CTB faculty members are committed to graduate education and postgraduate training, and are actively engaged in ensuring a collaborative and collegial environment.

Research Mission

Faculty in the Department of Cell and Tissue Biology investigate basic molecular, cellular and tissue processes to achieve fundamental insights, and as a vehicle for understanding and treating disease, by focusing quantitative and mechanistic approaches on one or more of the following three broad research questions:

  1. How are cellular organization and behavior across scales controlled by molecular and biophysical cues?
  2. How is cell fate determined and maintained, and how are resulting cell and tissue morphologies and functions established?
  3. How do biochemical and biomechanical signaling and other forms of cell communication transmit information?

Diversity Commitment

The Department of Cell and Tissue Biology is committed to the success of all department members. We recognize that diversity of thought and approaches and perspectives pushes the boundaries of science. Our department, like UCSF and the city of San Francisco, has a diverse makeup with people from around the world and of different identities. We recognize that the demographics of basic science departments, including ours, may not be representative of the demographics of trainees or the region and thus we are missing out on great potential. As a department, we strive to recruit, retain, and nourish our community members of all backgrounds to expand opportunities in science.


Bekijk de video: Cellen. Weefsels u0026 Organen (Oktober 2022).