Kemotaksista , yksi tyypeistä taksien on ilmiö, jolla solu elin, sperma , siiteputki jyvän siitepölyn , tai bakteerit , tai muiden organismien uni tai monisoluisista pää tai ohjata niiden liikkeiden mukaan tiettyjen kemiallisten lajien ympäristössä.
Se voi olla sekä vetovoima että välttäminen. Ruoan (esim. Glukoosin ) löytäminen siirtymällä kohti suurinta pitoisuutta on erittäin tärkeää bakteereille , samoin kuin haitallisten aineiden (kuten fenolin ) välttäminen .
Monisoluisissa elävissä oloissa kemotaksilla on tärkeä rooli organismin kehityksessä ja fysiologisessa toiminnassa. Mekanismit kemotaksista eläimille voidaan estää muodostuksen aikana syövän etäpesäkkeiden .
Vaikka solujen migraatio löydettiin mikroskoopin ( Leeuwenhoek ) kehityksen alkuvaiheessa , ensimmäisen tieteellisen kuvauksen tekivät TW Engelmann (vuonna 1881) ja W.F. Pfeffer (vuonna 1884) bakteereissa ja H.S.Jennings (vuonna 1906) sädekehissä. . Nobel-palkinnon saanut E. Mechnikov on myös osallistunut tämän alan tutkimukseen tutkimalla tätä prosessia fagosytoosin ensimmäisenä askeleena .
Kemotaksin biologinen (ja toisinaan patologinen) merkitys hyväksyttiin laajalti 1930-luvulla, ja myös ilmiön perustavanlaatuisin määritelmä muotoiltiin tällä hetkellä. Kemotaktisen määrityksen laadunvalvonnan olennaiset näkökohdat kuvasi H. Harris 1950-luvulla.
Seuraavien kahden vuosikymmenen aikana solubiologian ja biokemian kehitys mahdollisti laajan valikoiman uusien tekniikoiden kehittämisen solujen, jotka antavat muuttovasteen, ja kemotaksiksesta vastuussa olevien solun osien tutkimiseen. J. Adlerin uraauurtava työ edusti käännekohtaa bakteerien solunsisäisen signaalinsiirron prosessin ymmärtämisessä.
3. marraskuuta 2006, Tohtori Dennis Bray ( Cambridgen yliopisto ) palkittiin Microsoft European Science Award -palkinnolla E. colin kemotaksista tehdystä tutkimuksestaan .
Kemotaksis on yksi alkeellisimmista fysiologisista vasteista. Reseptorijärjestelmien kehittäminen, jonka avulla haitalliset tai suotuisat aineet voidaan havaita ympäristöstä, oli välttämätöntä yksisoluisille organismeille fylogeneesin alkuvaiheista lähtien .
Kattava analyysi kemotaksista Tetrahymena pyriformis - alkueläin eukaryootti - ja että konsensus-sekvenssien aminohappojen läsnä primitiivinen keitto ehdottaa, että on olemassa vahva korrelaatio kemotaktinen luonne näiden suhteellisen yksinkertaisia yhdisteet ja niiden ilmestyminen maapallolla . . Näin ollen oletetaan, että ensimmäiset molekyylit olivat voimakkaita kemoattraktantteja (esim. Gly , Glu , Pro ), kun taas myöhemmin esiintyvät aminohapot voisivat olla voimakkaita kemopellettejä (esim. Tyr , Trp , Phe ).
Joillakin bakteereilla, mukaan lukien Escherichia coli , on muutama lippu (yleensä 4-10 solua kohden). Ne voivat kääntyä kahteen suuntaan:
Pyörimissuunta havaitaan aina solun ulkopuolella, katsellen solun edessä olevaa lippua.
Tuloksena oleva bakteerien liike johtuu siis kahden vaiheen (" juoksu " ja " rumpu ") vuorottelusta . Jos havaitsemme bakteerin liikkumisen homogeenisessa ympäristössä, löydämme satunnaisen liikeradan suhteellisen lyhyiden suoraviivaisten uintivaiheiden takia, jotka keskeytetään satunnaisilla " rumpukuivaus " vaiheilla, jotka suuntaavat bakteereja uudelleen. Bakteerit, kuten Escherichia coli eivät kykene valita suunta, jossa ne uivat ja eivät voi uida pitkään suorassa linjassa, koska pyörivän sironnan . Toisin sanoen, bakteerit "unohtavat" suunnan, johon ne ovat menossa. Nämä rajoitukset huomioon ottaen on huomattavaa, että bakteerit kykenevät ohjaamaan liikkumistaan löytääkseen suotuisat paikat, joissa on paljon vetovoimaa (yleensä elintarvikkeissa), sekä välttämään karkotteita (yleensä myrkyllisiä aineita).
Kemiallisen gradientin läsnä ollessa bakteerit reagoivat kemotaksilla, joten ne ohjaavat liikkumistaan kemiallisen gradientin mukaan. Jos bakteeri tuntee liikkuvansa oikeaan suuntaan (toisin sanoen, se menee vetovoiman kohdalle tai siirtyy kauemmas karkotteesta), se jatkaa uintia pidempään ennen vaiheen " kaatumista ". Muuten hän lopettaa uinnin aikaisemmin ja kokeilee uutta satunnaisesti valittua suuntaa. Toisin sanoen, bakteerit, kuten E. coli, käyttävät käsitystä ajasta päättääkseen, onko elämä parantumassa vai huonossa kunnossa. Tällä tavoin he löytävät paikkoja, joissa vetovoimien pitoisuus on suurin (yleensä lähde) melko hyvin. Lisäksi jopa erittäin korkeilla pitoisuuksilla ne pystyvät erottamaan hyvin pienet pitoisuuserot. Soittimen tunnistus toimii samalla tehokkuudella.
Vaikuttaa merkittävältä, että tämä satunnainen kävely on seurausta yksinkertaisesta valinnasta kahden satunnaisen liikkeen muodon välillä , erityisesti uinnin ja " kaatumisen " välillä. Kemotaktiset reaktiot, kuten suunnan unohtaminen ja liikkeen tyypin valitseminen, todellakin muistuttavat kykyä tehdä päätöksiä kehittyneemmistä elävistä olennoista, joilla on aivoja , joiden avulla he pystyvät käsittelemään aistintietoa .
Ainutlaatuisen lippulaatuisen filamentin kierukkarakenne on ratkaiseva näiden liikkeiden suorittamisen kannalta. Lisäksi flagellarifilamentin muodostava proteiini, flagelliini , on melko samanlainen kaikilla bakteereilla, joilla on flagella. Selkärankaiset näytä tekevän voittoa tämä seikka: niissä on immuuni reseptori ( TLR5 ) suunniteltu tunnistamaan tämän säilynyt proteiini,.
Kuten usein tapahtuu biologiassa , jotkut bakteerit eivät noudata sääntöä. Monilla bakteereilla, kuten Vibrio, on vain yksi polaarinen lippulaiva (monotrich ciliature). Heidän kemotaksismenetelmänsä on erilainen. Toisilla on lippu, joka makaa kokonaan seinässä. Kun nämä bakteerit liikkuvat, koko korkkiruuvin muotoinen solu pyörii.
Kemiallinen gradientti on koettu käyttämällä useita transmembraani- reseptoreita , nimeltään ”metyyli hyväksymisestä kemotaksista proteiinit (MCP)”, jotka vaihtelevat suhteessa molekyylille. Nämä reseptorit sitovat houkuttimia tai repelantteja joko suoraan tai epäsuorasti vuorovaikutuksessa periplasman proteiinien kanssa . Nämä signaalit välitetään sitten reseptoreihin - plasmamembraanin kautta - sytosoliin, jossa Che-proteiinit aktivoituvat. Che-proteiinit muuttavat romahtamisen ja reseptorien taajuutta .
Flagella-asetusCheA- ja CheW-proteiinit sitoutuvat reseptoriin . Aktivaatiota ulkoisen ärsykkeen tuloksena itse fosforylaation ja histidiini kinaasin CHEA yhden tähteen erittäin konservoituneita histidiini. Sitten CheA siirtää fosforyyliryhmän vasteen säätelijöiden, CheB: n ja CheY: n, konservoituneisiin aspartaattitähteisiin . [Huomaa: CheA on histidiinikinaasi eikä välitä aktiivisesti fosforyyliryhmää. Sen ottaa CheA: sta vastesäädin CheB.] Tätä signalointimekanismia kutsutaan "kaksikomponenttiseksi järjestelmäksi", joka on hyvin yleinen signaalimuoto bakteereissa. CheY, vuorovaikutuksessa flagellar-kytkinproteiinin, FliM-proteiinin kanssa, indusoi lipun pyörimissuunnan muutoksen vastapäivään myötäpäivään ja aiheuttaa siten " kaatumisen ". Yhden lipputilan kiertotilan muuttaminen voi häiritä koko nippua ja aiheuttaa kaatumisen .
Vastaanottimen säätöKun aktivoitu CHEA, Chebin toimii metyyli esteraasi ja poistaa metyyli ryhmiä glutamaatti tähteet on sytoplasminen osa reseptorin. Se on antagonistinen vaikutus suhteessa metyyli- transferaasi Cher joka metyloi saman glutamaattitähteistä. Mitä enemmän metyyliryhmiä lisätään reseptoriin, sitä herkempi tämä on. Koska reseptorin signaali aiheuttaa reseptorin demetylaation takaisinkytkentäsilmukamekanismilla , järjestelmä viritetään aina ympäristössä oleville kemikaaleille. Siten se on herkkä pienille muutoksille, jopa äärimmäisille pitoisuuksille. Tämän säätelyn avulla bakteeri voi 'muistaa' viimeisimmät pitoisuudet ja verrata niitä nykyisiin pitoisuuksiin tietäen, liikkuuko se gradientin suuntaan vai päinvastoin, gradientin vastakkaiseen suuntaan. Metylointijärjestelmä yksinään ei kuitenkaan selitä bakteerien laajaa herkkyyttä erilaisille kemiallisille gradienteille. Muut säätelymekanismit, kuten reseptoriklusterit ja reseptorireseptorityyppiset vuorovaikutukset, moduloivat myös signalointireittiä.
Vaikka kemotaksiksen mekanismi eukaryooteissa on melko erilainen kuin bakteerien, kemiallisen gradientin havaitseminen on edelleen ratkaiseva askel prosessissa. Kokonsa takia prokaryootit eivät pysty havaitsemaan tehokkaita pitoisuusgradientteja, joten nämä solut "skannaavat" ja arvioivat ympäristöään jatkuvasti uimalla. (Uinti on sarja peräkkäisiä pystysuoria uinti- ja romahtamisvaiheita .) Toisaalta eukaryoottisolujen koko mahdollistaa gradientin havaitsemisen. Tämä johtuu reseptorien dynaamisesta ja polarisoidusta jakautumisesta. Jälkimmäisten indusointi kemoatraktanteilla tai kemopellanteilla aiheuttaa migraation kemotaktisen aktiivisuuden aineeseen tai päinvastoin päinvastoin.
Reseptoritasot, signalointireitit ja efektorimekanismit edustavat kaikki erilaisia eukaryoottin kaltaisia komponentteja. Yksisoluisissa eukaryooteissa päätehosteet ovat pseudopodia, silmä tai eukaryoottin kaltainen flagella (esim. Amoeba tai Tetrahymena ). Jotkut monimutkaisemmista kehittyvistä nisäkäsperäisistä eukaryoottisoluista , kuten immuunijärjestelmä , pystyvät myös siirtymään vaadittuun paikkaan. Immunokompetenttien solujen ( granulosyytit , monosyytit , lymfosyytit ) lisäksi suuri joukko soluja, joiden aiemmin katsottiin olevan kiinnittyneitä kudoksiin, ovat myös liikkuvia tietyissä fysiologisissa ( syöttösolu- , fibroblasti- , endoteelisolut ) tai patologisissa (esim. Etäpesäkkeet) olosuhteissa. Kemotaksista on tärkeä rooli varhaisessa alkionkehityksen koska muodostumista alkio kerrokset ohjaavat gradienttien signaalin molekyylejä.
Toisin kuin bakteerikemotaksiksen liikkuvuus, eukaryoottisolujen fyysisen liikkumisen mekanismi on edelleen huonosti ymmärretty. On luultavasti mekanismi, jolla solunulkoinen kemotaktinen gradientti havaitaan ja muutetaan solunsisäiseksi fosfatidyyli-inositoli-1,4,5-tris-fosfaatti (PIP3) -gradientiksi. Tämä johtaa signalointireitin aktivoinnin gradienttiin, joka johtaa aktiinifilamenttien polymerointiin . Aktiinifilamenttien (+) pään pidentyminen tarjoaa yhteyden sytoplasman kalvon sisäpintaan erilaisten peptidisarjojen kautta . Siten se johtaa pseudopodioiden muodostumiseen . Värekarvojen eukaryoottisolujen pystyvät myös aiheuttamatta kemotaksista, mutta tässä tapauksessa se on enemmän Ca2 + induktio riippuu mikrotubuluksiin järjestelmän pohjapinta kehon ja 9 x 2 + 2 mikrotubulusten (axoneme) silmäripsien . Tuhansien silmien orkesteroitu lyönti synkronoidaan päärunkojen väliin muodostetun alikalvojärjestelmän avulla. Signalointireitin yksityiskohtia ei ole vielä täysin selvitetty.
Kemotaksiin liittyvät muuttovasteetVaikka kemotaksis on yleisimmin tutkittu muuttoliike, solutasolla on muutamia muita liikkumismuotoja.
Useimmissa tapauksissa eukaryoottisolut havaitsevat kemotaktisten ärsykkeiden läsnäolon 7 transmembraanisen domeenin (serpentiinireseptorit) reseptorien välityksellä kytkettynä heterotrimeereinä oleviin G-proteiineihin . Nämä reseptorit on ryhmitelty yhteen hyvin suureen perheeseen, joka edustaa merkittävää osaa genomista. Jotkut tämän geenien superperheen jäsenet ovat mukana näköpiirissä (rodopsiinit) tai hajujen aikana . Kemotaksista vastuussa olevat pääreseptorit luokkaa stimuloivat formyylipeptidit (formyylipeptidireseptorit (FPR)), kemokiinit (kemokiinireseptorit (CCR tai CXCR)) ja leukotrieenit (leukotrieenireseptorit (BLT)). Laajan membraanireseptorien (esim. Aminohappoja, insuliinia , vasoaktiivisia peptidejä) induktio aiheuttaa kuitenkin myös solujen migraation.
Kemotaktinen valintaJotkut kemotaktiset reseptorit ilmentyvät kalvon pinnalla ja niillä on pitkäaikaisia ominaisuuksia, koska ne ovat geneettisesti määritettyjä. On kuitenkin olemassa muita, joilla on lyhytaikainen dynamiikka, koottu tilapäisesti ligandin läsnä ollessa. Kemotaktisten reseptorien ja ligandien ominaisuuksien ero mahdollistaa kemotaktisen vasteen omaavien solujen valinnan yksinkertaisella kemotaktisella määrityksellä (" kemotaksisanalyysi "). Kemotaktisella valinnalla on mahdollista määrittää, toimiiko vielä karakterisoimaton molekyyli pitkä- tai lyhytaikaisilla reseptoreillä. Ilmaisu "kemotaktinen valinta" voi myös tarkoittaa tekniikkaa, joka tekee mahdolliseksi erottaa eukaryoottiset tai prokaryoottiset solut niiden kyvyn mukaan reagoida selektiiviligandiin kemotaksilla.
Kemotaktisen vasteen laukaisemaan kykenevien molekyylien määrä on suhteellisen suuri. Lisäksi voimme erottaa primaariset ja sekundaariset kemotaktiset molekyylit. Primaaristen ligandien pääryhmät ovat:
Kemokiinien 3D-rakenteen tutkimus on osoittanut, että P-arkin yksiköiden ja a-heliksin luonnollinen koostumus varmistaa sekvenssin ilmentymisen, joka on välttämätön vuorovaikutuksessa kemokiinireseptorin kanssa. Dimeerin muodostuminen sekä lisääntynyt biologinen aktiivisuus on osoitettu useiden kemokiinien (esim. IL-8) kristallografialla.
Ligandien ja reseptorien välisten vuorovaikutusten aiheuttamat kemotaktiset vasteet erotetaan yleensä ligandin optimaalisen tehokkaan konsentraation perusteella. Vastauksen amplitudin ja vastaavien solujen osuuden välinen korrelaatio on kuitenkin myös kemotaktisen signaloinnin ominaisuus. Ligandien eri perheiden (esim. Aminohapot, oligopeptidit) tutkimukset ovat osoittaneet, että alueiden (amplitudit, vastaavien solujen lukumäärä) ja kemotaksis välillä on vastaavuus ("alueiden sovittaminen"). Kemoatraktanttitehoon liittyy laajoja alueita, kun taas kemoatraktanttimerkkiin liittyy kapeita alueita.
Solujen migraatiopotentiaalin mahdollisella muutoksella on suhteellisen suuri merkitys tiettyjen kliinisten oireiden ja oireyhtymien kehittymisessä. Solunulkoisten (esim. Escherichia coli) ja solunsisäisten (esim. Listeria monocytogenes) patogeenien muuttunut kemotaksis on sinänsä merkittävä kliininen kohde. Näiden mikro-organismien luontaisen kemotaktisen kapasiteetin muokkaaminen farmaseuttisilla aineilla voi vähentää tai jopa estää infektioiden määrää tai tarttuvien tautien leviämistä. Lisäksi infektiot , on olemassa muita sairauksia, joiden alkuperä (on olemassa joitakin muita sairauksia, joissa alentunut kemotaksista on ensisijainen etiologinen tekijä,) on rajoitettu (vahingoittunut) kemotaksis kuten chédiak-higashin oireyhtymä , jossa vesikkelit Suuret solunsisäiset solujen estää normaalin solujen migraatiota .
Taudin tyyppi | Chtx. lisääntynyt | Chtx. viallinen |
---|---|---|
Infektiot | tulehdukset | AIDS , luomistauti |
Chtx. aiheuttaa sairauden | - | Chediak-Higashi-oireyhtymä , primaarinen silialainen dyskinesia |
Chtx. vaikuttaa | ateroskleroosi , niveltulehdus , parodontiitti , psoriaasi , reperfuusiovaurio , etäpesäkkeet | Multippeliskleroosi , Hodgkinin tauti , hedelmättömyys (mies) |
Myrkytys | asbesti , bentsopyreeni | Hg- ja Cr- suolat , otsoni (O 3 ) |
Solumigraation etsiminen, kuten olemme lukeneet sen historiaa koskevasta luvusta, vaatii samanaikaisesti klassisten ja nykyaikaisten tekniikoiden soveltamista, jotka täydentävät toisiaan. Samalla tämä antaa mahdollisuuden tuottaa rikastavaa tietoa sekä perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen kannalta. Tämän tosiasian ansiosta kemotaksista ilmiönä kiinnostuneiden julkaisujen määrä on lisääntynyt viimeisten 20-25 vuoden aikana. Lisäksi luvut, jotka tarjoavat tietoa solujen migraatiosta tai kemotaksista, muodostavat arvokkaan osan lukuisista genetiikan , biokemian , solufysiologian , patologian ja kliinisen alan julkaisuista . Muuttotutkimuksen julkaisutoiminnalle on ominaista, että kemotaksista tutkivien töiden määrä lähtee solujen eri muotoja ( termotaksia , geotaksia , valotaksia jne.) Tutkivien joukossa . Tämä tosiasia osoittaa tämäntyyppisen muuttoliikkeen poikkeuksellisen biologisen ja lääketieteellisen merkityksen.
Saatavilla on laaja valikoima tekniikoita solujen kemotaktisen aktiivisuuden sekä ligandien kemoattraktanttisen tai kemoterapeuttisen luonteen arvioimiseksi. Mittausten perusvaatimukset ovat seuraavat:
Huolimatta siitä, että ihanteellista kemotaktista määritystä ei vieläkään ole saatavana, on edelleen joitain protokollia ja laitteita, jotka sopivat sopivasti yllä lueteltuihin olosuhteisiin. Käytetyimmät ovat:
s. ex. PP-kammio
s. ex. Boyden-kammio, Zigmond-kammio, Dunn-kammio, "Multi-well" -kammio Hiustekniikat
s. ex. T-sokkelotekniikka - opalesenssitekniikka - orientaatiotesti (Löydät tarkemman luvun kohdasta "Kemotaksisanalyysi") Voidakseen liikkua solut tarvitsevat useita solukomponentteja (kuten moottorit. Solut, erilaiset entsyymit jne.). Lisäksi heidän on voitava muuttaa muotoaan. Yleisesti ottaen soluliikkeellä on kahden tyyppistä… Hapoptaattinen (eli liike vastauksena fyysisiin tai mekaanisiin ärsykkeisiin). Kemotaktinen (joka on liike vastauksena kemialliseen gradienttiin).