Polaridad celular - Cell polarity

La polaridad celular se refiere a diferencias espaciales en forma, estructura y función dentro de una celda . Casi todos los tipos de células exhiben alguna forma de polaridad, lo que les permite realizar funciones especializadas. A continuación se describen ejemplos clásicos de células polarizadas, que incluyen células epiteliales con polaridad apical-basal, neuronas en las que las señales se propagan en una dirección desde las dendritas a los axones y células en migración . Además, la polaridad celular es importante durante muchos tipos de división celular asimétrica para establecer asimetrías funcionales entre las células hijas.

Muchos de los actores moleculares clave implicados en la polaridad celular están bien conservados. Por ejemplo, en las células de metazoos, el complejo PAR-3 / PAR-6 / aPKC juega un papel fundamental en la polaridad celular. Si bien los detalles bioquímicos pueden variar, algunos de los principios básicos, como la retroalimentación negativa y / o positiva entre diferentes moléculas, son comunes y esenciales para muchos sistemas de polaridad conocidos.

Localización polarizada de la proteína Staufen (flecha blanca) en el ovocito de Drosophila en estadio 9 (Stau: GFP, DAPI).

Ejemplos de celdas polarizadas

Células epiteliales

Las células epiteliales se adhieren entre sí a través de uniones estrechas , desmosomas y uniones adherentes , formando láminas de células que recubren la superficie del cuerpo del animal y las cavidades internas (p. Ej., Tracto digestivo y sistema circulatorio). Estas células tienen una polaridad apical-basal definida por la membrana apical que mira hacia la superficie exterior del cuerpo, o el lumen de las cavidades internas, y la membrana basolateral orientada en dirección opuesta al lumen. La membrana basolateral se refiere tanto a la membrana lateral donde las uniones célula-célula conectan a las células vecinas como a la membrana basal donde las células se unen a la membrana basal , una delgada lámina de proteínas de la matriz extracelular que separa la lámina epitelial de las células subyacentes y el tejido conectivo . Las células epiteliales también exhiben polaridad celular plana , en la que las estructuras especializadas se orientan dentro del plano de la hoja epitelial. Algunos ejemplos de polaridad de células planas incluyen las escamas de los peces orientadas en la misma dirección y, de manera similar, las plumas de las aves, el pelaje de los mamíferos y las proyecciones cuticulares (pelos sensoriales, etc.) en los cuerpos y apéndices de moscas y otros insectos. .

Neuronas

Una neurona recibe señales de las células vecinas a través de extensiones celulares ramificadas llamadas dendritas . Luego, la neurona propaga una señal eléctrica por una extensión de axón especializada desde el polo basal hasta la sinapsis, donde se liberan neurotransmisores para propagar la señal a otra neurona o célula efectora (p. Ej., Músculo o glándula). La polaridad de la neurona facilita así el flujo direccional de información, que es necesario para la comunicación entre neuronas y células efectoras.

Células migratorias

Muchos tipos de células son capaces de migrar, como los leucocitos y los fibroblastos , y para que estas células se muevan en una dirección, deben tener una parte delantera y trasera definidas. En la parte frontal de la célula se encuentra el borde de ataque, que a menudo se define por una ondulación plana de la membrana celular llamada lamelipodio o protuberancias delgadas llamadas filopodios . Aquí, la polimerización de actina en la dirección de la migración permite que las células extiendan el borde de ataque de la célula y se adhieran a la superficie. En la parte posterior de la celda, las adherencias se desmontan y los haces de microfilamentos de actina , llamados fibras de tensión , se contraen y tiran del borde de salida hacia adelante para mantenerse al día con el resto de la celda. Sin esta polaridad delantera-trasera, las células no podrían coordinar la migración dirigida.

Levadura en ciernes

La levadura en ciernes, Saccharomyces cerevisiae , es un sistema modelo para la biología eucariota en el que se han dilucidado muchos de los elementos fundamentales del desarrollo de la polaridad. Las células de levadura comparten muchas características de polaridad celular con otros organismos, pero presentan menos componentes proteicos. En la levadura, la polaridad está sesgada para formarse en un punto de referencia heredado, un parche de la proteína Rsr1 en el caso de la gemación o un parche de Rax1 en las proyecciones de apareamiento. En ausencia de puntos de referencia de polaridad (es decir, en mutantes por deleción de genes), las células pueden realizar una ruptura espontánea de la simetría , en la que la ubicación del sitio de polaridad se determina aleatoriamente. La polarización espontánea todavía genera un solo sitio de yema, lo que se ha explicado por la retroalimentación positiva que aumenta las concentraciones de proteína de polaridad localmente en el parche de polaridad más grande mientras disminuye las proteínas de polaridad a nivel mundial al agotarlas. El regulador maestro de la polaridad en la levadura es Cdc42 , que es un miembro de la familia Rho eucariotas homóloga de GTPasas Ras , y un miembro de la superfamilia de pequeñas GTPasas, que incluyen Rop GTPasas en plantas y pequeñas GTPasas en procariotas. Para que se formen sitios de polaridad, Cdc42 debe estar presente y ser capaz de ciclar GTP, un proceso regulado por su factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF), Cdc24, y por sus proteínas activadoras de GTPasa (GAP). La localización de Cdc42 está regulada además por las colas del ciclo celular y una serie de socios de unión. Un estudio reciente para dilucidar la conexión entre el tiempo del ciclo celular y la acumulación de Cdc42 en el sitio de la yema usa optogenética para controlar la localización de proteínas usando luz. Durante el apareamiento, estos sitios de polaridad pueden reubicarse. El modelado matemático junto con experimentos de imágenes sugieren que la reubicación está mediada por la liberación de vesículas impulsada por actina.

Desarrollo de vertebrados

Los cuerpos de los animales vertebrados son asimétricos a lo largo de tres ejes: anterior-posterior (de la cabeza a la cola), dorsal-ventral (de la columna al vientre) e izquierda-derecha (por ejemplo, nuestro corazón está en el lado izquierdo de nuestro cuerpo). Estas polaridades surgen dentro del embrión en desarrollo a través de una combinación de varios procesos: 1) división celular asimétrica , en la que dos células hijas reciben diferentes cantidades de material celular (por ejemplo, ARNm, proteínas), 2) localización asimétrica de proteínas o ARN específicos dentro de las células ( que a menudo está mediada por el citoesqueleto), 3) gradientes de concentración de proteínas secretadas a través del embrión, como proteínas morfogénicas Wnt , nodales y óseas (BMP), y 4) expresión diferencial de receptores de membrana y ligandos que causan inhibición lateral, en la que la célula que expresa el receptor adopta un destino y sus vecinas otro.

Además de definir ejes asimétricos en el organismo adulto, la polaridad celular también regula los movimientos celulares individuales y colectivos durante el desarrollo embrionario, como la constricción apical , la invaginación y la epibolia . Estos movimientos son fundamentales para dar forma al embrión y crear las estructuras complejas del cuerpo adulto.

Base molecular

La polaridad celular surge principalmente a través de la localización de proteínas específicas en áreas específicas de la membrana celular. Esta localización a menudo requiere tanto el reclutamiento de proteínas citoplasmáticas en la membrana celular como el transporte de vesículas polarizadas a lo largo de los filamentos citoesqueléticos para liberar proteínas transmembrana desde el aparato de Golgi . Muchas de las moléculas responsables de regular la polaridad celular se conservan en todos los tipos de células y en todas las especies de metazoos. Los ejemplos incluyen el complejo PAR ( Cdc42 , PAR3 / ASIP, PAR6, proteína quinasa C atípica ), complejo Crumbs (Crb, PALS, PATJ, Lin7) y complejo Scribble (Scrib, Dlg, Lgl). Estos complejos de polaridad se localizan en el lado citoplásmico de la membrana celular, asimétricamente dentro de las células. Por ejemplo, en las células epiteliales, los complejos PAR y Crumbs se localizan a lo largo de la membrana apical y el complejo Scribble a lo largo de la membrana lateral. Junto con un grupo de moléculas de señalización llamadas Rho GTPasas , estos complejos de polaridad pueden regular el transporte de vesículas y también controlar la localización de proteínas citoplasmáticas principalmente regulando la fosforilación de fosfolípidos llamados fosfoinosítidos . Los fosfoinosítidos sirven como sitios de acoplamiento para las proteínas en la membrana celular y su estado de fosforilación determina qué proteínas pueden unirse.

Establecimiento de polaridad

Si bien muchas de las proteínas de polaridad clave están bien conservadas, existen diferentes mecanismos para establecer la polaridad celular en diferentes tipos de células. Aquí, se pueden distinguir dos clases principales: (1) células que pueden polarizar espontáneamente y (2) células que establecen polaridad basada en señales intrínsecas o ambientales.

La ruptura espontánea de la simetría se puede explicar por la amplificación de las fluctuaciones estocásticas de las moléculas debido a la cinética química no lineal. La base matemática de este fenómeno biológico fue establecida por Alan Turing en su artículo de 1953 " La base química de la morfogénesis ". Si bien Turing inicialmente intentó explicar la formación de patrones en un sistema multicelular, también se pueden aplicar mecanismos similares a la formación de patrones intracelulares. Brevemente, si una red de al menos dos sustancias químicas que interactúan (en este caso, proteínas) exhibe ciertos tipos de cinética de reacción, así como difusión diferencial, las fluctuaciones estocásticas de concentración pueden dar lugar a la formación de patrones estables a gran escala, puenteando así una escala de longitud molecular a una escala celular o incluso tisular.

Un excelente ejemplo del segundo tipo de establecimiento de polaridad, que se basa en señales extracelulares o intracelulares, es el cigoto de C. elegans . Aquí, la inhibición mutua entre dos conjuntos de proteínas guía el establecimiento y mantenimiento de la polaridad. Por un lado, PAR-3, PAR-6 y aPKC (llamadas proteínas PAR anteriores) ocupan tanto la membrana plasmática como el citoplasma antes de romper la simetría. PAR-1, la proteína PAR-2 ​​que contiene el dedo anular específico de C. elegans y LGL-1 (llamadas proteínas PAR posteriores) están presentes principalmente en el citoplasma. El centrosoma masculino proporciona una señal, que rompe una distribución de membrana inicialmente homogénea de PAR anteriores al inducir flujos corticales. Se cree que estos adveccionan los PAR anteriores hacia un lado de la célula, lo que permite que los PAR posteriores se unan al otro polo (posterior). Las proteínas PAR anterior y posterior mantienen la polaridad hasta la citocinesis excluyéndose mutuamente de sus respectivas áreas de membrana celular.

Ver también

Referencias