Kemotaksis , türlerinin bir taxies hangi bir olgudur hücre gövdesi, sperm , polen tüpü bir tahılın polen ya da bakteri ya da diğer organizmalar uni ya da çok-baş veya belirli kimyasal türler mevcut buluşa uygun hareketlerini doğrudan çevrede.
Hem çekicilik hem de kaçınma olabilir. Bakteriler için en yüksek konsantrasyona doğru hareket ederek yiyecek (örneğin glikoz ) bulmak ve aynı zamanda zararlı etkenlerden ( fenol gibi ) kaçınmak da çok önemlidir .
Çok hücreli canlılarda kemotaksis, organizmanın gelişiminde ve fizyolojik işleyişinde önemli bir rol oynar. Hayvanlarda kemotaksi mekanizmaları , kanser metastazlarının oluşumu sırasında baskılanabilir .
Hücre göçü, gelişiminde erken keşfedilmesine rağmen mikroskop ( Leeuwenhoek ) birinci bilimsel tanımı ile yapıldı TW Engelmann (1881) tarafından W.F. Pfeffer Bakterilerde tarafından (1884) H.S. Jennings içinde (1906) kirpikli organizmalar . Nobel Ödülü sahibi E. Mechnikov da fagositozda ilk adım olarak bu süreci inceleyerek bu alandaki araştırmalara katkıda bulunmuştur .
Kemotaksinin biyolojik (ve bazen patolojik) önemi 1930'larda geniş çapta kabul edildi ve fenomenin en temel tanımı da bu sırada formüle edildi. Kemotaktik bir tahlilin kalite kontrolünün temel yönleri , 1950'lerde H. Harris tarafından tarif edilmiştir.
Takip eden yirmi yıl boyunca, hücre biyolojisi ve biyokimyasındaki gelişmeler, göç tepkisi veren hücrelerin ve kemotaksiden sorumlu hücre altı fraksiyonların incelenmesi için çok çeşitli yeni tekniklerin geliştirilmesine izin verdi. J. Adler'in öncü çalışması, bakterilerde hücre içi sinyal iletiminin tüm sürecini anlamada bir dönüm noktasını temsil ediyordu.
3 Kasım 2006, Dr Dennis Bray ( Cambridge Üniversitesi ), E. coli'nin kemotaksisi konusundaki araştırmasından dolayı Microsoft Avrupa Bilim Ödülü'ne layık görüldü .
Kemotaksis, en temel fizyolojik tepkilerden biridir. Çevreden zararlı veya elverişli maddelerin tespitine izin veren reseptör sistemlerinin geliştirilmesi, filogeninin ilk aşamalarından itibaren tek hücreli organizmalar için gerekliydi .
Bir protozoan ökaryot olan Tetrahymena pyriformis'in kemotaksisinin ve ilkel çorbada bulunan amino asitlerin konsensüs dizilerinin kapsamlı analizi, bu nispeten basit bileşiklerin kemotaktik karakterleri ile Dünya'daki görünümleri arasında güçlü bir korelasyonun varlığını ortaya koymaktadır. . . Bu nedenle, ilk moleküllerin güçlü kemoatraktanlar (örneğin Gly , Glu , Pro ) olduğu ve daha sonra ortaya çıkan amino asitlerin güçlü kemo-pellan'lar (örneğin Tyr , Trp , Phe ) olduğu varsayılır .
Escherichia coli de dahil olmak üzere bazı bakterilerde birkaç flagella bulunur (genellikle hücre başına 4-10). Bunlar iki yönde dönebilir:
Dönme yönü her zaman hücrenin dışında, hücrenin önündeki flagella'ya bakılarak gözlemlenir.
Bakterinin ortaya çıkan hareketi, bu nedenle iki fazın (" akma " ve " yuvarlanma ") değişmesinden kaynaklanır . Homojen bir ortamda bir bakterinin hareketini gözlemlersek , bakterileri yeniden yönlendiren rastgele " takla " aşamaları ile kesintiye uğrayan nispeten kısa doğrusal yüzme aşamalarından dolayı rastgele bir yörünge buluyoruz . Escherichia coli gibi bakteriler, yüzdükleri yönü seçemezler ve rotasyonel saçılma nedeniyle düz bir çizgide uzun süre yüzemezler . Başka bir deyişle, bakteriler gittikleri yönü "unuturlar". Bu kısıtlamalar hesaba katıldığında, bakterilerin yüksek konsantrasyonda cezbedici (genel olarak gıdalarda) ve itici maddelerden (genel olarak toksik maddeler) kaçınmak için uygun yerler bulabilmek için hareketlerini yönlendirebilmesi dikkat çekicidir.
Kimyasal bir gradyanın varlığına bakteri kemotaksi ile yanıt verecek, bu nedenle hareketlerini kimyasal gradyanlara göre yönlendireceklerdir. Bakteri doğru yönde hareket ettiğini hissederse (yani cezbedici maddeye gider veya iticiden uzaklaşır) " yuvarlanma " evresinden önce daha uzun süre düz yüzmeye devam eder . Aksi takdirde, daha erken yüzmeyi bırakır ve rastgele seçilen yeni bir yön dener. Başka bir deyişle, E. coli gibi bakteriler, yaşamın daha iyi mi yoksa daha kötü mü olmaya başladığına karar vermek için bir zaman algısı kullanır. Bu şekilde, cezbedici konsantrasyonunun en yüksek olduğu (genellikle kaynak) yerleri oldukça iyi bulurlar. Ek olarak, çok yüksek konsantrasyonlarda bile, konsantrasyondaki çok küçük farklılıkları ayırt edebilirler. Tekrarlayıcı tespiti aynı verimlilikle çalışır.
Bu rastgele yürüyüşün, iki rastgele hareket biçimi arasında , özellikle de yüzme ve " yuvarlanma " arasında yapılan basit bir seçimin sonucu olması dikkat çekici görünüyor . Nitekim, yönü unutmak ve hareket türünü seçmek gibi kemotaktik tepkiler, duyusal bilgileri işleyebilecekleri beyinlere sahip daha gelişmiş canlıların kararlarını verme yeteneğine benzer .
Benzersiz flagellar filamentin sarmal yapısı, bu hareketlerin performansı için çok önemlidir. Ayrıca, flagellar filamenti oluşturan protein olan flagellin , flagella'ya sahip tüm bakterilerde oldukça benzerdir . Omurgalılar bu gerçeğinden kâr etmek gibi görünüyor: onlar bir bağışıklık reseptörü (var TLR5 bu korunmuş protein tanımak için tasarlanmış).
Biyolojide sıklıkla olduğu gibi , bazı bakteriler kurala uymaz. Vibrio gibi birçok bakteri, yalnızca bir polar flagellum'a (monotrich siliature) sahiptir. Kemotaksis yöntemleri farklıdır. Diğer bir kamçılı olması tamamen duvar yatmaktadır. Bu bakteriler hareket ettiğinde tirbuşon şeklindeki hücrenin tamamı döndürülür.
Kimyasal gradyan birkaç kullanılarak algılanır transmembran reseptörleri molekülü tespit göre değişiklik “metil kabul kemotaksis proteinleri (MCP)” olarak adlandırılır. Bu reseptörler , periplazmanın proteinleri ile etkileşimler yoluyla doğrudan veya dolaylı olarak cezbedici veya kovucuları bağlar . Bu sinyaller daha sonra reseptörlere - plazma zarı yoluyla - Che proteinlerinin etkinleştirilir. Che proteinleri, yuvarlanma ve reseptörlerin sıklığını değiştirir .
Flagella düzenlemesiCheA ve CheW proteinleri reseptöre bağlanır . Kendi kendine ortaya çıkan harici bir uyarıcı tarafından reseptör aktivasyonu fosforilasyonunu ve histidin kinaz CheA'yı yüksek histidin muhafaza eden tek bir atığı. Daha sonra CheA, bir fosforil grubunu yanıt düzenleyiciler CheB ve CheY'nin korunmuş aspartat kalıntılarına aktarır. [Not: CheA bir histidin kinazdır ve fosforil grubunu aktif olarak iletmez. CheA'dan yanıt düzenleyici CheB tarafından alınır.] Bu sinyal mekanizmasına, bakterilerde çok yaygın bir sinyal verme şekli olan "iki bileşenli sistem" adı verilir. CheY, flagellar anahtar proteini, FliM proteini ile etkileşime girerek, flagella'nın saat yönünün tersinden saat yönüne dönme yönündeki değişikliği indükler ve böylece yuvarlanmayı indükler . Tek bir flagellumun dönüş durumunu değiştirmek tüm demeti bozabilir ve yuvarlanmaya neden olabilir .
Alıcı düzenlemesiCheA tarafından aktive edildiğinde, CheB bir metil esteraz gibi davranır ve metil gruplarını reseptörün sitoplazmik kısmındaki glutamat kalıntılarından uzaklaştırır . Aynı glutamat kalıntılarını metilleştiren metil transferaz CheR'ye göre antagonistik bir etkiye sahiptir . Reseptöre ne kadar fazla metil grubu eklenirse, ikincisi o kadar hassas olur. Reseptörden gelen sinyal, bir geri besleme döngüsü mekanizması ile reseptörün demetilasyonuna neden olduğundan, sistem her zaman çevredeki kimyasallar için ayarlanmıştır. Bu nedenle, aşırı konsantrasyonlarda bile küçük değişikliklere duyarlı kalır. Bu düzenleme, bakterinin son konsantrasyonları 'hatırlamasına' ve bunları mevcut konsantrasyonlarla karşılaştırmasına, böylece gradyan yönünde mi yoksa tersine gradyanın ters yönünde mi hareket ettiğini bilmesine izin verir. Bununla birlikte, metilasyon sistemi tek başına bakterilerin farklı kimyasal gradyanlara karşı geniş bir duyarlılık yelpazesini açıklamaz. Reseptör kümelenmesi ve reseptör-reseptör tipi etkileşimler gibi ek düzenleyici mekanizmalar da sinyal yolunu modüle eder.
Ökaryotlardaki kemotaksisin mekanizması bakterilerinkinden oldukça farklı olsa da , kimyasal gradyanın algılanması bu süreçte çok önemli bir adım olmaya devam ediyor. Prokaryotlar boyutları nedeniyle etkili konsantrasyon gradyanlarını tespit edemezler, bu nedenle bu hücreler sürekli yüzerek çevrelerini “tarar” ve değerlendirirler. (Yüzme, birbirini izleyen dik yüzme ve yuvarlanma adımları dizisidir .) Ökaryotik hücrelerin boyutu ise eğimin saptanmasını sağlar. Bu, reseptörlerin dinamik ve polarize bir dağılımından kaynaklanır. İkincisinin kemoatraktanlar veya kemopellantlar tarafından indüksiyonu, kemotaktik aktivite maddesine veya tersine ters yönde göçe neden olur.
Reseptör seviyeleri, sinyal yolları ve efektör mekanizmalarının tümü çeşitli ökaryotik benzeri bileşenleri temsil eder. Tek hücreli ökaryotlarda ana efektörler psödopodi, silya veya ökaryotik benzeri kamçıdır (örneğin Amip veya Tetrahymena ). Bağışıklık sistemindekiler gibi memeli kökenli bazı daha karmaşık evrimleşen ökaryotik hücreler de gerekli konuma hareket edebilirler. İmmünokompetan hücrelerin ( granülosit , monosit , lenfosit ) yanı sıra, önceden dokulara bağlı olduğu düşünülen büyük bir hücre grubu da belirli fizyolojik ( mast hücresi , fibroblast , endotelyal hücreler ) veya patolojik (örn. Metastaz) koşullar altında hareketlidir. Kemotaksi, embriyojenezde erken dönemde önemli bir rol oynar çünkü germ katmanlarının oluşumu sinyal moleküllerinin gradyanları tarafından yönlendirilir.
Bakteriyel kemotaksis sırasındaki hareketliliğin aksine, ökaryotik hücrelerin fiziksel hareketi için mekanizma hala tam olarak anlaşılamamıştır. Muhtemelen hücre dışı bir kemotaktik gradyanın algılandığı ve bir hücre içi fosfatidilinositol 1,4,5 tris fosfat (PIP3) gradyanına dönüştürüldüğü bir mekanizma vardır . Bu , aktin filamanlarının polimerizasyonuna yol açan sinyal yolunun aktivasyonunun bir gradyanı ile sonuçlanır . Aktin filamentlerinin (+) ucunun uzaması , sitoplazmik membranın iç yüzeyi ile farklı peptid setleri aracılığıyla bir bağlantı sağlar . Böylece psödopodi oluşumu ile sonuçlanır . Kirpikler ökaryotik hücrelerin, aynı zamanda kemotaksis uyarabilen, ancak bu durumda daha fazla olan bir Ca + 2 indüksiyon bağımlı mikrotübüler sistemi bazal vücut 9 x2 + 2 mikrotübüllerin kirpik (aksonem) . Binlerce kirpinin orkestrasyonlu vuruşu, bazal cisimler arasında oluşturulan bir alt zar sistemi ile senkronize edilir. Sinyal yolunun ayrıntıları henüz tam olarak açıklığa kavuşturulmamıştır.
Kemotaksiye bağlı göçmen yanıtlarKemotaksis, en sık incelenen göç şekli olmasına rağmen, hücresel düzeyde birkaç başka hareket türü vardır.
Vakaların çoğunda, ökaryotik hücreler kemotaktik uyaranların varlığını , heterotrimerler olan G proteinlerine bağlı 7 transmembran alan reseptörleri (serpantin reseptörleri) aracılığıyla algılar . Bu reseptörler, genomun önemli bir bölümünü temsil eden çok geniş bir aile içinde gruplandırılmıştır. Bu üst gen ailesinin bazı üyeleri, görme (rodopsin) veya koku alma sırasında yer alır . Kemotaksiden sorumlu başlıca mesleki reseptör sınıfları, formil peptidler (formil peptid reseptörleri (FPR)), kemokinler (kemokin reseptörleri (CCR veya CXCR)) ve lökotrienler (lökotrien reseptörleri (BLT)) tarafından uyarılır . Bununla birlikte, çok çeşitli zar reseptörlerinin (örneğin amino asitler, insülin , vazoaktif peptidler için olanlar) indüksiyonu da hücre göçünü tetikler.
Kemotaktik seçimBazı kemotaktik reseptörler, membran yüzeyinde eksprese edilir ve genetik olarak belirlendikleri için uzun vadeli özelliklere sahiptirler. Bununla birlikte, ligandın mevcudiyetinde özel bir şekilde bir araya getirilen kısa vadeli dinamiklere sahip başkaları da vardır. Kemotaktik reseptörlerin ve ligandların özelliklerindeki farklılık, basit bir kemotaktik deneyle (" kemotaksi deneyi ") kemotaktik tepkiye sahip hücrelerin seçilmesine izin verir . Kemotaktik seçim yoluyla, henüz karakterize edilmemiş bir molekülün uzun vadeli veya kısa vadeli reseptör yolları yoluyla etki edip etmediğini belirlemek mümkündür. "Kemotaktik seçim" ifadesi ayrıca ökaryotik veya prokaryotik hücrelerin, kemotaksis ile seçim ligandına yanıt verme kapasitelerine göre ayırmayı mümkün kılan bir tekniği de ifade edebilir.
Kemotaktik bir tepkiyi tetikleyebilen moleküllerin sayısı nispeten yüksektir. Ek olarak, birincil ve ikincil kemotaktik molekülleri ayırt edebiliriz. Ana ligand grupları şunlardır:
Kemokinlerin 3 boyutlu yapısının incelenmesi, β-yaprak birimlerinin ve bir a-sarmalının karakteristik bir bileşiminin, kemokin reseptörü ile etkileşim için gerekli dizinin ekspresyonunu sağladığını göstermiştir. Bir dimer oluşumunun yanı sıra artan biyolojik aktivite, bir dizi kemokinin (örneğin IL-8) christallografisi ile gösterilmiştir.
Ligandlar ve reseptörler arasındaki etkileşimlerle ortaya çıkan kemotaktik tepkiler genellikle ligandın optimum etkili konsantrasyonu temelinde ayırt edilir. Bununla birlikte, yanıtın genliği ile yanıt veren hücrelerin oranı arasındaki korelasyon , aynı zamanda kemotaktik sinyallemenin karakteristik bir özelliğidir. Farklı ligand aileleri (örneğin, amino asitler, oligopeptidler) üzerine yapılan çalışmalar, aralıklar (genlikler, yanıt veren hücrelerin sayısı) ve kemotaksis arasında bir uygunluğun (“aralıkların uydurulması”) varlığını göstermiştir. Kemoatraktan gücüne geniş aralıklar eşlik ederken, kemoatraktan karaktere dar aralıklar eşlik eder.
Hücrelerin göç potansiyelindeki olası değişiklik, belirli klinik semptomların ve sendromların gelişiminde nispeten yüksek öneme sahiptir. Hücre dışı (örn., Escherichia coli) ve hücre içi (örn., Listeria monocytogenes) patojenlerin değişen kemotaksisi, kendi başına önemli bir klinik hedefi temsil eder. Bu mikroorganizmaların içsel kemotaktik kapasitesinin farmasötik maddeler tarafından modifikasyonu, enfeksiyon oranını veya bulaşıcı hastalıkların yayılmasını azaltabilir veya hatta inhibe edebilir. Enfeksiyonlara ek olarak , kaynağı (bozulmuş kemotaksinin birincil etiyolojik faktör olduğu diğer bazı hastalıklar vardır ), Chediak-Higashi sendromu gibi veziküllerin normal hücre göçünü engellediği kısıtlı (hasarlı) bir kemotaksis olan başka hastalıklar da vardır. .
Hastalığın türü | Chtx. arttı | Chtx. arızalı |
---|---|---|
Enfeksiyonlar | iltihaplar | AIDS , Bruselloz |
Chtx. hastalığa neden olur | - | Chediak-Higashi sendromu , birincil siliyer diskinezi |
Chtx. etkilenmiş | ateroskleroz , artrit , periodontitis , sedef hastalığı , reperfüzyon hasarı , metastaz | Multipl skleroz , Hodgkin hastalığı , kısırlık (erkek) |
Zehirlenme | asbest , benzopiren | Hg ve Cr tuzları , ozon (O 3 ) |
Tarihiyle ilgili bölümde okuduğumuz gibi hücre göçü arayışı, birbirini tamamlayan klasik ve modern tekniklerin aynı anda uygulanmasını gerektirir. Bu aynı zamanda hem temel araştırma hem de uygulamalı araştırma açısından zenginleştirici veriler sağlamayı mümkün kılar. Bu gerçek sayesinde, son 20-25 yılda bir fenomen olarak kemotaksiye ilgi duyan yayınların sayısı artmıştır. Ek olarak, hücre göçü veya kemotaksis hakkında bilgi veren bölümler, genetik , biyokimya , hücre fizyolojisi , patoloji ve klinik alana ait çok sayıda yayının değerli bir bölümünü oluşturmaktadır . Göç araştırması üzerine yayın faaliyeti, çeşitli hücre hareket biçimlerini ( termotaksis , geotaxis , phototaxis , vb.) İnceleyen kişiler arasında kemotaksiyi inceleyen çalışmaların sayısının artması özelliğine sahiptir . Bu gerçek, bu tür göçün olağanüstü biyolojik ve tıbbi önemini göstermektedir.
Hücrelerin kemotaktik aktivitesini ve ayrıca ligandların kemoatraktan veya kemorecalling karakterini değerlendirmek için çok çeşitli teknikler mevcuttur. Ölçümler için temel gereksinimler aşağıdaki gibidir:
İdeal kemotaktik tahlilin hala mevcut olmamasına rağmen, yukarıda listelenen koşullara kabul edilebilir bir eşleşme sağlayan bazı protokoller ve ekipman parçaları hala mevcuttur. En çok kullanılanlar:
s. ör. PP odası
s. ör. Boyden odası, Zigmond odası, Dunn odası, "Çok kuyu" odası Saç teknikleri
s. ör. T-labirent tekniği - opalesans tekniği - oryantasyon testi ("Kemotaksis tahlilinde" daha ayrıntılı bir bölüm bulabilirsiniz) Hücrelerin hareket edebilmeleri için birkaç hücresel bileşene (motor hücreleri, çeşitli enzimler, vb.) İhtiyacı vardır. Ek olarak, şekillerini değiştirebilmeleri gerekir. Genel olarak, hücresel hareketin iki türü vardır… Hapoptatik (fiziksel veya mekanik uyaranlara yanıt olarak hareket anlamına gelir). Kemotaktik (kimyasal gradyanlara tepki olarak harekettir).