Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Mechanická citlivost buněk

Dosud opomíjený způsob signalizace
 |  11. 3. 2010
 |  Vesmír 89, 190, 2010/3

Buňky dostávají informace o svém okolí mnoha různými způsoby. Kromě známých a široce studovaných chemických senzorů existují například senzory mechanické. Ty zprostředkovávají buňce informace o mechanickém kontaktu či deformaci, které převedou na biologický signál (změnu membránového potenciálu či aktivaci nějaké intracelulární signální kaskády). Široce se studuje přeměna mechanických signálů, která je podstatou sluchového vnímání a vnímání rovnováhy. Specializované vláskové buňky ve vnitřním uchu snímají mechanické podráždění způsobené dopadem zvukových vln prostřednictvím mechanicky citlivých iontových kanálů ve výběžcích vláskových buněk1) a převádějí ho na elektrický signál.

Hledání kanálů

Jiným z částečně prozkoumaných typů mechanické citlivosti jsou kanály sloužící k udržování konstantního objemu bakteriálních buněk. Pokud se vlivem osmotických změn například zvětší objem buňky, mechanicky aktivované kanály2) se otevřou a umožní únik iontů z buňky, a tím se růst objemu zastaví. Bakterie Escherichia coli má tři typy takových kanálů.3) Tím se předejde prasknutí buňky při změnách osmolarity v trávicím traktu, který tyto populární a užitečné bakterie kolonizují.

U eukaryotických buněk zatím nejsou na molekulární úrovni určeny příslušné iontové kanály, které zprostředkovávají osmotickou citlivost nebo se otevírají ohybem stereocilií, ale předpokládá se, že by mohly být ze tří různých skupin,4) viz také Vesmír 87, 578, 2008/9.

K určení kanálů, které se na mechanické citlivosti podílejí, vedou stopy z několika směrů. U modelových organismů, jako jsou „červ“ Caenorhabditis elegans, moucha Drosophila melanogaster, ryba Danio rerio či laboratorní myš, byly nalezeny geny mechanické citlivosti, jejichž poškození způsobuje poruchu hmatové orientace nebo sluchu. Také u člověka jsou známy vzácné mutace spojené s poruchami sluchu. Některé z nich se týkají právě podjednotek iontových kanálů podezřívaných z mechanické citlivosti. Z nálezů ale není jasné, jestli kanál, jehož genetické vyřazení vede k poruše citlivosti, je skutečně tím hledaným převodním článkem mezi mechanickými a elektrickými signály, nebo jestli se podílí až na dalším přenosu elektrické signalizace. Také to neposkytuje žádnou informaci o tom, jaké další molekulární systémy se na mechanické citlivosti podílejí. Zatím ani není známo, jestli je takový iontový kanál citlivý přímo na mechanické napětí membrány, nebo je napojen na další proteiny, které na něj mechanickou deformaci přenášejí.

Pátrání po cestách citlivosti

Jinou cestou k poznání mechanické citlivosti by mohla být izolace a analýza příslušných bílkovin, což je zatím obtížné. V organismu jsou čisté zdroje takových bílkovin (specializované mechanicky citlivé buňky) vzácné a počet příslušných proteinů v jedné buňce je pravděpodobně velmi malý. O něco nadějnější cesta, expresní klonování, vychází z izolace nepatrného množství nukleové kyseliny obsahující hledaný gen a snaží se o jeho funkční expresi ve vhodném buněčném modelu (například v oocytu žáby drápatky Xenopus nebo v modelové buněčné linii) a proměření funkce bílkovinného produktu (viz František Vyskočil, Nepolapitelné chloridové kanály dopadeny, strana 188). Expresní klonování u mechanicky citlivých systémů dosud naráží na to, že pravděpodobně nejde o jednu či dvě bílkoviny, ale o systém, který k své funkci nejspíš vyžaduje přítomnost většího počtu komponent, jako jsou různé podjednotky kanálů a receptorů a k nim vedoucí složky cytoskeletu. Stačí, aby chyběla jen jedna komponenta, a v modelové buňce se žádná mechanická citlivost nemusí projevit.

Problém ale skutečně stojí za námahu. V komplexních mnohobuněčných organismech neodpovídají mechanicky citlivé kanály jen na osmotický tlak. Při slyšení a hmatu se mechanický tlak mění na elektrický signál a vede ke vzniku nervového impulzu. Mechanická citlivost je také důležitá pro činnost svalových buněk kosterního svalu, srdce i hladkých svalů. Zvláště srdeční a hladké svalové buňky cévní stěny potřebují k svému vývoji a k usměrňování činnosti registrovat síly působené proudící krví. Ani zde ovšem není jasné, které kanály se na tom podílejí.

Transmembránové proteiny v roli informátorů

Existuje řada dokladů o tom, že mechanické podněty jsou důležité nejen pro specializované senzorické buňky, ale pro fungování buněk obecně. Co může být důležitější než zapínání a vypínání určitých genů v jádře, a to právě v důsledku mechanických podnětů, kterých je všude kolem plno? Vždyť v mnohobuněčné tkáni je každá buňka v kontaktu se svými sousedkami i s okolní extracelulární hmotou prostřednictvím mnoha typů přilnavých molekul, které přenášejí mezi buňkami nejen chemické signály, ale i síly mechanické a deformační. Většina buněk není schopna dlouhodobého života, pokud postrádá mechanické kontakty, ať už s okolními buňkami nebo s pevným povrchem (Vesmír 87, 368, 2008/6).

V membránách buněk jsou transmembránové proteiny integriny, které na vnitřní straně interagují s buněčnou kostrou (cytoskeletem) a na vnější straně s extracelulární hmotou, podložkou nebo jinou buňkou. Integriny mohou přenášet informace obousměrně – směrem do buňky doručují zprávy o vytvoření vhodného kontaktu a směrem ven informují o stavu buňky a působí na okolí mechanickou silou. Je zajímavé, že přilnavost mezi buňkami a k podložce není celoplošná. Těsný kontakt je jen v těch místech buněčné membrány, kde jsou zevnitř zakotvena aktinová vlákna (filamenta) a zvenku připojeny integriny. Buňky se aktivně přichycují na podložce nebo na povrchu jiných buněk přilnavými místy, asi jako housenka na listu panožkami.

Interakce buňky s jinou buňkou nebo podložkou je tedy složitý proces, při kterém buňka rozpoznává jinou buňku podle povrchových receptorů, nebo posoudí kvalitu povrchu z hlediska chemického složení, elektrického náboje či mechanické tuhosti. Samotné buňky působí na místa přilnutí určitou silou a vnímají deformaci podkladu. Dokonce bylo zjištěno, že mezenchymální kmenové buňky nasazené na podložky různé mechanické tuhosti diferencují na různé buněčné typy. Na měkkých podložkách se mění v neurony, na středně tuhých podložkách ve svalové buňky a na nejtvrdších v kostní buňky. Na tomto rozpoznávání povrchů se podílejí složitější vláknité bílkoviny – myosiny typu 2. Také počet míst kontaktu se mění podle tuhosti povrchu. Na měkkých materiálech jich buňky vytvářejí méně než na tuhých a s tuhostí materiálu přibývá myosinů typu 2.

Poruchy mechanické citlivosti

Je tedy jasné, že mechanický přenos informace může být podél vláken cytoskeletu přenášen v buňce na jiná místa, dokonce i do buněčného jádra. Taková signalizace má dvě výhody: zaprvé je přesně směrována uspořádáním cytoskeletárních vláken;5) zadruhé její rychlost není limitována rychlostí difuze.6) Jednotlivé geny mohou reagovat na deformaci povrchu buňky nesmírně rychle, řádově v milisekundách.

Kromě již zmíněných mutací u člověka, které jsou spojeny s poruchami sluchu, byla u různých buněk zjištěna souvislost řady významných chorob s poruchami mechanické citlivosti. Změny spojené s mechanickou citlivostí je možno vystopovat například u patologické srdeční hypertrofie, svalové dystrofie, poruch zraku spojených se zvýšeným nitroočním tlakem a předčasného stárnutí. Byly nalezeny i vztahy mezi změněnou mechanickou citlivostí a nádorovým bujením. Změny v mechanických vlastnostech mimobuněčné hmoty nádoru mohou podporovat maligní transformaci buněk a tvorbu metastáz. Je to proto, že mechanické napětí cytoskeletu nádorových buněk je vyšší než u buněk zdravých. Co je primární, zda pevnější rakovinné buňky, nebo jejich mezibuněčné „lepidlo“, není ale zcela jasné.

Právě opačná odchylka, zvětšení deformovatelnosti buněk a rozvolnění mezibuněčných kontaktů, je charakteristická pro tvorbu metastáz. Únik buněk z nádoru, jejich pronikání krevním řečištěm a uchycování na různých místech je také spojováno se změnami mezibuněčných kontaktů a mechanické citlivosti, spolu s přestavbou buněk na elektrosekreční typ, který si prokousává cestu tkáněmi do krevního řečiště (Vesmír 79, 312, 2000/6).

Je tedy zřejmé, že studium mechanické citlivosti buněk7) může přinést další překvapení jak pro přenos informace v buňkách i mezi nimi, který dnes chápeme především jako signalizaci elektrickou nebo chemickou, tak pro porozumění a léčení závažných chorob.

Literatura

Folgering J. H. et al., Molecular basis of the mammalian pressure-sensitive ion channels: focus on vascular mechanotransduction, Prog. Biophys. Mol. Biol. 97, 180–195, 2008/2–3

Discher D. E., P. Janmey, Y. L. Wang: Tissue cells feel and respond to the stiffness of their substrate, Science 310, 1139–1143, 2005

Engler A. J. et al.: Matrix elasticity directs stem cell lineage specification, Cell 126, 677–689, 2006/4

Poznámky

1) Výběžky vláskových buněk (stereocilia) slouží jako mechanický převodník mezi pohybem okolní tekutiny a iontovými kanály.

2) Identifikované u bakterií jako skupina Msc.

3) Označené MscL, MscS a MscK. Typ MscL je zajímavý tím, že vytváří největší „pór“ ze všech známých kanálů až do průměru 2,5 nm, který funguje jako hlavní pojistka při náhlém osmotickém šoku, protože umožňuje únik velkého množství vnitrobuněčných molekul do prostředí.

4) DEG/ENaC (MEC, ASIC), TRP nebo K2P (TREK1, TREK2, TRAAK).

5) Na rozdíl od difuze signálních molekul.

6) Rychlost difuze je v daném případě limitována vnitřní stavbou buňky.

7) Tomuto tématu byl věnován soubor článků „Focus on Mechanotransduction“ v Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 10, 2009/1.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Molekulární biologie
RUBRIKA: Glosy

O autorovi

Jan Krůšek

RNDr. Jan Krůšek, CSc., (*1961) vystudoval Matematicko‑fyzikální fakultu UK v Praze. Ve Fyziologickém ústavu AV ČR, v. v. i., se spolu se svými studenty zabývá biofyzikou, fyziologií a farmakologií membránových iontových kanálů za pomoci terčíkového zámku, mutací podjednotek a fluorescenčních technik. Významně přispěl k poznání interakce podjednotek nikotinového receptoru při jeho aktivaci a  desen-zitizaci.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné