Polaridade celular - Cell polarity
A polaridade da célula refere-se às diferenças espaciais na forma, estrutura e função dentro de uma célula . Quase todos os tipos de células exibem alguma forma de polaridade, o que lhes permite realizar funções especializadas. Exemplos clássicos de células polarizadas são descritos abaixo, incluindo células epiteliais com polaridade apical-basal, neurônios nos quais os sinais se propagam em uma direção de dendritos para axônios e células em migração . Além disso, a polaridade celular é importante durante muitos tipos de divisão celular assimétrica para estabelecer assimetrias funcionais entre as células-filhas.
Muitos dos principais atores moleculares implicados na polaridade celular estão bem conservados. Por exemplo, em células de metazoários, o complexo PAR-3 / PAR-6 / aPKC desempenha um papel fundamental na polaridade celular. Embora os detalhes bioquímicos possam variar, alguns dos princípios básicos, como feedback negativo e / ou positivo entre diferentes moléculas, são comuns e essenciais para muitos sistemas de polaridade conhecidos.
Exemplos de células polarizadas
Células epiteliais
As células epiteliais aderem umas às outras por meio de junções compactas , desmossomos e junções aderentes , formando camadas de células que revestem a superfície do corpo do animal e as cavidades internas (por exemplo, trato digestivo e sistema circulatório). Essas células têm uma polaridade apical-basal definida pela membrana apical voltada para a superfície externa do corpo, ou o lúmen das cavidades internas, e a membrana basolateral orientada para fora do lúmen. A membrana basolateral se refere à membrana lateral, onde as junções célula-célula conectam as células vizinhas, e à membrana basal, onde as células estão ligadas à membrana basal , uma lâmina fina de proteínas da matriz extracelular que separa a lâmina epitelial das células subjacentes e do tecido conjuntivo . As células epiteliais também exibem polaridade celular plana , na qual estruturas especializadas são orientadas dentro do plano da lâmina epitelial. Alguns exemplos de polaridade celular plana incluem as escamas dos peixes sendo orientadas na mesma direção e, da mesma forma, as penas das aves, a pele dos mamíferos e as projeções cuticulares (pelos sensoriais, etc.) nos corpos e apêndices de moscas e outros insetos .
Neurônios
Um neurônio recebe sinais de células vizinhas por meio de extensões celulares ramificadas chamadas dendritos . O neurônio então propaga um sinal elétrico para baixo de uma extensão especializada de axônio do pólo basal para a sinapse, onde os neurotransmissores são liberados para propagar o sinal para outro neurônio ou célula efetora (por exemplo, músculo ou glândula). A polaridade do neurônio, portanto, facilita o fluxo direcional de informações, que é necessário para a comunicação entre os neurônios e as células efetoras.
Células migratórias
Muitos tipos de células são capazes de migração, como leucócitos e fibroblastos , e para que essas células se movam em uma direção, elas devem ter frente e trás definidas. Na frente da célula está a borda de ataque, que geralmente é definida por uma ondulação plana da membrana celular chamada lamelipódio ou protuberâncias finas chamadas filopódios . Aqui, a polimerização de actina na direção da migração permite que as células estendam a borda de ataque da célula e se fixem na superfície. Na parte traseira da célula, as aderências são desmontadas e feixes de microfilamentos de actina , chamados de fibras de estresse , se contraem e puxam a borda de fuga para frente para acompanhar o resto da célula. Sem esta polaridade frontal-traseira, as células seriam incapazes de coordenar a migração dirigida.
Levedura de brotamento
A levedura de brotamento, Saccharomyces cerevisiae , é um sistema modelo para a biologia eucariótica em que muitos dos elementos fundamentais do desenvolvimento da polaridade foram elucidados. As células de levedura compartilham muitas características da polaridade celular com outros organismos, mas apresentam menos componentes proteicos. Na levedura, a polaridade é influenciada para se formar em um marco herdado, um patch da proteína Rsr1 no caso de brotamento, ou um patch de Rax1 nas projeções de acasalamento. Na ausência de marcos de polaridade (ou seja, em mutantes de deleção de genes), as células podem realizar quebra de simetria espontânea , na qual a localização do sítio de polaridade é determinada aleatoriamente. A polarização espontânea ainda gera apenas um único local de gema, o que foi explicado pelo feedback positivo, aumentando as concentrações de proteínas de polaridade localmente no maior patch de polaridade, enquanto diminui as proteínas de polaridade globalmente ao esgotá-las. O regulador mestre de polaridade na levedura é Cdc42 , que é um membro da família Rho eucariótica de GTPases homóloga Ras e membro da superfamília de pequenas GTPases, que incluem Rop GTPases em plantas e pequenas GTPases em procariotos. Para que os sítios de polaridade se formem, o Cdc42 deve estar presente e ser capaz de fazer o ciclo do GTP, um processo regulado por seu fator de troca de nucleotídeo guanina (GEF), Cdc24, e por suas proteínas ativadoras de GTPase (GAPs). A localização do Cdc42 é ainda regulada por filas do ciclo celular e uma série de parceiros de ligação. Um estudo recente para elucidar a conexão entre o tempo do ciclo celular e o acúmulo de Cdc42 no local do botão usa optogenética para controlar a localização de proteínas usando luz. Durante o acasalamento, esses locais de polaridade podem mudar. A modelagem matemática juntamente com experimentos de imagem sugerem que a realocação é mediada pela entrega de vesículas conduzidas pela actina.
Desenvolvimento de vertebrados
Os corpos dos animais vertebrados são assimétricos ao longo de três eixos: ântero-posterior (cabeça à cauda), dorsal-ventral (coluna à barriga) e esquerda-direita (por exemplo, nosso coração está do lado esquerdo do corpo). Essas polaridades surgem dentro do embrião em desenvolvimento por meio de uma combinação de vários processos: 1) divisão celular assimétrica , em que duas células-filhas recebem diferentes quantidades de material celular (por exemplo, mRNA, proteínas), 2) localização assimétrica de proteínas específicas ou RNAs dentro das células ( que é frequentemente mediado pelo citoesqueleto), 3) gradientes de concentração de proteínas secretadas através do embrião, como Wnt , Nodal e Proteínas Morfogênicas Ósseas (BMPs), e 4) expressão diferencial de receptores de membrana e ligantes que causam inibição lateral, em que a célula que expressa o receptor adota um destino e seus vizinhos, outro.
Além de definir eixos assimétricos no organismo adulto, a polaridade celular também regula os movimentos celulares individuais e coletivos durante o desenvolvimento embrionário, como constrição apical , invaginação e epibolia . Esses movimentos são essenciais para moldar o embrião e criar as estruturas complexas do corpo adulto.
Base molecular
A polaridade celular surge principalmente através da localização de proteínas específicas em áreas específicas da membrana celular. Essa localização geralmente requer o recrutamento de proteínas citoplasmáticas para a membrana celular e o transporte de vesículas polarizadas ao longo dos filamentos do citoesqueleto para entregar proteínas transmembrana do aparelho de Golgi . Muitas das moléculas responsáveis pela regulação da polaridade celular são conservadas em todos os tipos de células e em todas as espécies de metazoários. Os exemplos incluem o complexo PAR ( Cdc42 , PAR3 / ASIP, PAR6, proteína quinase C atípica ), complexo Crumbs (Crb, PALS, PATJ, Lin7) e complexo Scribble (Scrib, Dlg, Lgl). Esses complexos de polaridade estão localizados no lado citoplasmático da membrana celular, assimetricamente dentro das células. Por exemplo, nas células epiteliais, os complexos PAR e Crumbs estão localizados ao longo da membrana apical e o complexo Scribble ao longo da membrana lateral. Junto com um grupo de moléculas de sinalização chamadas Rho GTPases , esses complexos de polaridade podem regular o transporte de vesículas e também controlar a localização de proteínas citoplasmáticas principalmente pela regulação da fosforilação de fosfolipídeos chamados fosfoinositídeos . Os fosfoinositídeos servem como locais de ancoragem para proteínas na membrana celular e seu estado de fosforilação determina quais proteínas podem se ligar.
Estabelecimento de polaridade
Embora muitas das proteínas de polaridade chave sejam bem conservadas, existem diferentes mecanismos para estabelecer a polaridade celular em diferentes tipos de células. Aqui, duas classes principais podem ser distinguidas: (1) células que são capazes de polarizar espontaneamente e (2) células que estabelecem polaridade com base em pistas intrínsecas ou ambientais.
A quebra espontânea da simetria pode ser explicada pela amplificação das flutuações estocásticas das moléculas devido à cinética química não linear. A base matemática para esse fenômeno biológico foi estabelecida por Alan Turing em seu artigo de 1953 ' A base química da morfogênese '. Embora Turing inicialmente tenha tentado explicar a formação de padrões em um sistema multicelular, mecanismos semelhantes também podem ser aplicados à formação de padrões intracelulares. Resumidamente, se uma rede de pelo menos dois produtos químicos interagindo (neste caso, proteínas) exibe certos tipos de cinética de reação, bem como difusão diferencial, as flutuações de concentração estocástica podem dar origem à formação de padrões estáveis em grande escala, fazendo uma ponte entre uma escala de comprimento molecular para uma escala celular ou mesmo de tecido.
Um excelente exemplo para o segundo tipo de estabelecimento de polaridade, que depende de pistas extracelulares ou intracelulares, é o zigoto C. elegans . Aqui, a inibição mútua entre dois conjuntos de proteínas orienta o estabelecimento e a manutenção da polaridade. Por outro lado, PAR-3, PAR-6 e aPKC (chamadas proteínas PAR anteriores) ocupam a membrana plasmática e o citoplasma antes da quebra da simetria. PAR-1, a proteína PAR-2 do dedo do anel específica de C. elegans e LGL-1 (chamadas proteínas PAR posteriores) estão presentes principalmente no citoplasma. O centrossoma masculino fornece uma sugestão, que quebra uma distribuição de membrana inicialmente homogênea de PARs anteriores induzindo fluxos corticais. Acredita-se que estes advectem PARs anteriores em direção a um lado da célula, permitindo que PARs posteriores se liguem a outro pólo (posterior). As proteínas PAR anteriores e posteriores mantêm a polaridade até a citocinese, excluindo-se mutuamente de suas respectivas áreas de membrana celular.