Funkcje i cechy Centriolos



The centriole są cylindrycznymi strukturami komórkowymi złożonymi z klastrów mikrotubul. Tworzą je białko tubuliny, które znajduje się w większości komórek eukariotycznych.

Powiązana para centrioli, otoczona bezkształtną masą gęstego materiału zwanego materiałem pericentriolar (PCM), tworzy strukturę zwaną centrosomem.

Funkcją centrioli jest kierowanie montażem mikrotubul, uczestniczenie w organizacji komórkowej (położenie jądra i rozmieszczenie przestrzenne komórki), tworzenie i funkcjonowanie wici i rzęsek (ciliogeneza) i podział komórek (mitoza i mejoza).

Centriole znajdują się w strukturach komórkowych znanych jako centrosomy komórek zwierzęcych i nie występują w komórkach roślinnych.

Wady w strukturze lub liczbie centrioli w każdej komórce mogą mieć znaczące konsekwencje dla fizjologii organizmu, powodując między innymi zmiany w reakcji stresowej podczas zapalenia, niepłodności męskiej, chorób neurodegeneracyjnych i tworzenia nowotworów..

Centriola to cylindryczna struktura. Para powiązanych centrioli, otoczona bezkształtną masą gęstego materiału (zwana „materiałem perikentriolowym” lub PCM), tworzy złożoną strukturę zwaną „centrosomem”. 

Zostały one uznane za nieważne dopiero kilka lat temu, kiedy stwierdzono, że są one głównymi organellami w przewodzeniu podziału komórek i duplikacji (mitozy) w komórkach eukariotycznych (głównie u ludzi i innych zwierząt).

Komórka

Ostatnim wspólnym przodkiem wszelkiego życia na Ziemi była pojedyncza komórka, a ostatnim wspólnym przodkiem wszystkich eukariontów była komórka włosów z centriolami.

Każdy organizm składa się z grupy komórek, które współdziałają. Organizmy zawierają narządy, narządy składają się z tkanek, tkanki składają się z komórek, a komórki składają się z cząsteczek.

Wszystkie komórki wykorzystują te same molekularne „bloki”, podobne metody przechowywania, utrzymywania i ekspresji informacji genetycznej oraz podobne procesy metabolizmu energii, transportu molekularnego, sygnalizacji, rozwoju i struktury.. 

Mikrotubule

We wczesnych latach mikroskopii elektronowej biologowie komórki obserwowali długie kanaliki w cytoplazmie, którą nazwali mikrotubulami.

Obserwowano morfologicznie podobne mikrotubule, tworząc włókna wrzeciona mitotycznego, jako składniki aksonów neuronów oraz jako elementy strukturalne w rzęskach i wiciach.

Dokładne badanie poszczególnych mikrotubul wykazało, że wszystkie z nich zostały utworzone przez 13 podłużnych jednostek (obecnie zwanych protofilamentami) utworzonych przez główne białko (składające się z podjednostki α-tubuliny i jednego z β-tubuliny blisko spokrewnionych) i kilku białek związanych z mikrotubule (MAP).

Oprócz ich funkcji w pozostałych komórkach, mikrotubule mają zasadnicze znaczenie dla wzrostu, morfologii, migracji i polarności neuronu, a także dla rozwoju, utrzymania i przetrwania skutecznego układu nerwowego..

Znaczenie delikatnej interakcji między składnikami cytoszkieletu (mikrotubule, filamenty aktynowe, włókna pośrednie i septyny) znajduje odzwierciedlenie w kilku ludzkich zaburzeniach neurodegeneracyjnych związanych z nieprawidłową dynamiką mikrotubul, w tym chorobą Parkinsona i chorobą Alzheimera.

Cilios i wici

Rzęski i wici są organellami, które znajdują się na powierzchni większości komórek eukariotycznych. Składają się głównie z mikrotubul i błony.

Ruchliwość plemników wynika z ruchomych elementów cytoszkieletu obecnych w jej ogonie, zwanych aksonami. Struktura aksonów składa się z 9 grup po 2 mikrotubule, silniki molekularne (dyneiny) i ich struktury regulacyjne.

Centriole odgrywają główną rolę w ciliogenezie i postępie cyklu komórkowego. Dojrzewanie centrioli powoduje zmianę funkcji, która prowadzi od podziału komórki do tworzenia rzęski.

Wady w strukturze lub funkcji aksononu lub rzęsek powodują wiele zaburzeń u ludzi zwanych ciliopatiami. Choroby te dotykają różnych tkanek, w tym oczu, nerek, mózgu, płuc i ruchliwości plemników (co często prowadzi do niepłodności męskiej).

Centriole

Dziewięć trypletów mikrotubul rozmieszczonych wokół obwodu (tworzących krótki wydrążony cylinder), są „cegiełkami” i główną strukturą centrioli. 

Przez wiele lat ignorowano strukturę i funkcję centrioli, chociaż w latach 80. XIX wieku centrosom był wizualizowany za pomocą mikroskopii świetlnej.

Theodor Boveri opublikował przełomową pracę w 1888 r., Opisującą pochodzenie centrosomu z plemników po zapłodnieniu. W swoim krótkim komunikacie z 1887 r. Boveri napisał, że:

„Centrosom reprezentuje dynamiczne centrum komórki; Jego podział tworzy centra uformowanych komórek potomnych, wokół których wszystkie pozostałe składniki komórkowe są zorganizowane symetrycznie ... Centrosom jest prawdziwym organem dzielącym komórkę, pośredniczy w podziale jądrowym i komórkowym ”(Scheer, 2014: 1) , [Tłumaczenie autorskie].

Wkrótce po połowie XX wieku, wraz z rozwojem mikroskopii elektronowej, zachowanie centrioli zostało zbadane i wyjaśnione przez Paula Schafera.

Niestety, ta praca została zignorowana w dużej mierze z powodu zainteresowania naukowców, którzy zaczęli koncentrować się na odkryciach Watsona i Kricka na temat DNA. 

Centrosom

Para centrioli, usytuowanych w sąsiedztwie jądra i prostopadłych do siebie, jest „centrosomem”. Jeden z centrioli jest znany jako „ojciec” (lub matka). Drugi znany jest jako „syn” (lub córka, jest nieco krótszy i ma swoją podstawę przymocowaną do podstawy matki).

Bliższe końce (w połączeniu z dwoma centriolami) są zanurzone w „chmurze” białek (być może do 300 lub więcej) znanych jako centrum organizacyjne mikrotubul (MTOC), ponieważ dostarczają białka potrzebne do budowy mikrotubul.

MTOC jest również znany jako „materiał pericentriolar” i ma ładunek ujemny. Odwrotnie, dystalne końce (oddalone od połączenia dwóch centrioli) są naładowane dodatnio.

Para centrioli wraz z otaczającym MTOC jest znana jako „centrosom”. 

Duplikacja centrosomu

Gdy centriole zaczynają się powielać, ojciec i syn oddzielają się nieznacznie, a następnie każdy centriol zaczyna tworzyć nową centriolę u podstawy: ojciec z nowym synem i syn z nowym synem („wnukiem”).

Podczas gdy dochodzi do duplikacji centrioli, DNA jądra jest również duplikowane i rozdzielane. To znaczy, obecne badania pokazują, że duplikacja centrioli i oddzielenie DNA są w pewien sposób powiązane. 

Duplikacja i podział komórek (mitoza)

Proces mitotyczny jest często opisywany jako faza inicjująca, znana jako „interfejs”, po której następują cztery fazy rozwoju.

Podczas interfejsu centriole są duplikowane i dzielone na dwie pary (jedna z tych par zaczyna się przesuwać w kierunku przeciwnej strony jądra) i DNA jest podzielone..

Po duplikacji centrioli mikrotubule centrioli rozciągają się i wyrównują wzdłuż głównej osi jądra, tworząc „wrzeciono mitotyczne”.

W pierwszej z czterech faz rozwoju (faza I lub „profaza”) chromosomy kondensują i zbliżają się, a błona jądrowa zaczyna słabnąć i rozpuszczać się. W tym samym czasie powstaje wrzeciono mitotyczne z parami centrioli znajdujących się teraz na końcach wrzeciona.

W drugiej fazie (faza II lub „metafaza”) łańcuchy chromosomów są wyrównane z osią wrzeciona mitotycznego.

W trzeciej fazie (faza III lub „anafaza”) łańcuchy chromosomowe dzielą się i przesuwają w kierunku przeciwległych końców wrzeciona mitotycznego, teraz wydłużonego.

Wreszcie, w czwartej fazie (faza IV lub „telofaza”), nowe błony jądrowe powstają wokół oddzielonych chromosomów, wrzeciono mitotyczne rozpuszcza się i rozdzielanie komórek zaczyna się kończyć z połową cytoplazmy, która idzie z każdym nowym jądrem..

Na każdym końcu wrzeciona mitotycznego pary centrioli wywierają istotny wpływ (najwyraźniej na siły wywierane przez pola elektromagnetyczne generowane przez ujemne i dodatnie ładunki ich bliższych i dalszych końców) podczas całego procesu podziału komórki. 

Centrosom i odpowiedź immunologiczna

Narażenie na stres wpływa na funkcję, jakość i czas trwania życia organizmu. Stres generowany na przykład przez infekcję może prowadzić do zapalenia zakażonych tkanek, aktywując odpowiedź immunologiczną w organizmie. Ta odpowiedź chroni zaatakowany organizm, eliminując patogen.

Wiele aspektów funkcjonalności układu odpornościowego jest dobrze znanych. Jednak zdarzenia molekularne, strukturalne i fizjologiczne, w które zaangażowany jest centrosom, pozostają zagadką.

Ostatnie badania odkryły nieoczekiwane dynamiczne zmiany w strukturze, lokalizacji i funkcji centrosomu w różnych warunkach związanych ze stresem. Na przykład po naśladowaniu warunków infekcji stwierdzono wzrost produkcji PCM i mikrotubul w komórkach międzyfazowych.

Centrosomy w synapsie immunologicznej

Centrosom odgrywa bardzo ważną rolę w strukturze i funkcji synapsy immunologicznej (SI). Ta struktura jest tworzona przez wyspecjalizowane interakcje między komórką T i komórką prezentującą antygen (APC). Ta interakcja komórka-komórka inicjuje migrację centrosomu do SI i jego późniejsze sprzężenie z błoną plazmatyczną.

Sprzęganie centrosomu w SI jest podobne do obserwowanego podczas ciliogenezy. Jednak w tym przypadku nie inicjuje składania rzęsek, ale uczestniczy w organizacji SI i wydzielaniu pęcherzyków cytotoksycznych w celu lizy komórek docelowych, stanowiąc kluczowy organ w aktywacji komórek T..

Centrosom i stres cieplny

Centrosom jest celem „molekularnych białek opiekuńczych” (zestawu białek, których zadaniem jest wspomaganie składania, składania i transportu komórkowego innych białek), które zapewniają ochronę przed narażeniem na szok termiczny i stres.

Do czynników stresowych, które wpływają na centrosom, należą uszkodzenia DNA i ciepła (takie jak te, które dotykają komórki pacjentów z gorączką). Uszkodzenie DNA inicjuje szlaki naprawy DNA, które mogą wpływać na funkcję centrosomu i skład białek.

Naprężenie generowane przez ciepło powoduje modyfikację struktury centrioli, przerwanie centrosomu i całkowitą dezaktywację jego zdolności do tworzenia mikrotubul, zmieniając tworzenie się wrzeciona mitotycznego i zapobiegając mitozie.

Zakłócenie funkcji centrosomu podczas gorączki może być reakcją adaptacyjną w celu inaktywacji biegunów wrzeciona i zapobiegania nieprawidłowemu podziałowi DNA podczas mitozy, zwłaszcza biorąc pod uwagę potencjalną dysfunkcję wielu białek po denaturacji indukowanej ciepłem..

Ponadto może zapewnić komórce dodatkowy czas na odzyskanie puli funkcjonalnych białek przed ponownym uruchomieniem podziału komórki.

Inną konsekwencją inaktywacji centrosomu w czasie gorączki jest brak możliwości przejścia do SI w celu zorganizowania go i uczestniczenia w wydzielaniu pęcherzyków cytotoksycznych.

Nieprawidłowy rozwój centrioli

Rozwój centrioli jest bardzo złożonym procesem i chociaż obejmuje szereg białek regulatorowych, mogą wystąpić różne rodzaje awarii..

Jeśli występuje nierównowaga proporcji białek, centriola dziecka może być wadliwa, jej geometria może być zniekształcona, osie pary mogą odbiegać od prostopadłości, może rozwinąć się wiele centrioli dziecięcych, centriola dziecka może osiągnąć pełną długość przed czas lub oddzielenie rówieśników może być opóźnione.

W przypadku pomyłkowego lub błędnego powielenia centrioli (z defektami geometrycznymi i / lub wielokrotnym powieleniem) następuje zmiana replikacji DNA, występuje niestabilność chromosomalna (CIN).

Podobnie defekty centrosomu (na przykład powiększony lub powiększony centrosom) prowadzą do CIN i sprzyjają rozwojowi wielu centrioli dziecięcych..

Te błędy rozwojowe powodują uszkodzenia komórek, które mogą prowadzić do nowotworów.

Nieprawidłowe centriolos i złośliwe komórki

Dzięki interwencji białek regulatorowych, w przypadku wykrycia anomalii w rozwoju centrioli i / lub centrosomu, komórki mogą wprowadzić samokorektę anomalii.

Jednakże niepowodzenie w samodzielnej korekcie anomalii, nieprawidłowych centrioli lub wielu dzieci („nadliczbowe centriole”) może prowadzić do powstawania guzów („nowotworzenia”) lub śmierci komórek.

Nadliczbowe centriole mają tendencję do łączenia się, prowadząc do skupienia centrosomu („amplifikacja centrosomu”, charakterystyczna dla komórek nowotworowych), zmieniając polaryzację komórek i normalny rozwój mitozy, co powoduje pojawienie się guzów.

Komórki z nadliczbowymi centriolami charakteryzują się nadmiarem materiału pericentriolarnego, przerwaniem cylindrycznej struktury lub nadmierną długością centrioli i centrioli nie prostopadłych ani źle umieszczonych.

Sugerowano, że skupiska centrioli lub centrosomów w komórkach nowotworowych mogą służyć jako „biomarker” w stosowaniu środków terapeutycznych i obrazujących, takich jak superparamagnetyczne nanocząstki..

Referencje

  1. Borisy, G., Heald, R., Howard, J., Janke, C., Musacchio, A., i Nogales, E. (2016). Mikrotubule: 50 lat po odkryciu tubuliny. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 17 (5), 322-328.
  2. Buchwalter, R. A., Chen, J.V., Zheng, Y. i Megraw, T. L. Centrosome w Cell Division, Development and Disease. eLS.
  3. Gambarotto, D., i Basto, R. (2016). Konsekwencje numerycznych defektów centrosomów w rozwoju i chorobie. W cytoszkieletie Microtubule (str. 117–149). Springer Vienna.
  4. Huston, R. L. (2016). Przegląd aktywności centrioli i nieprawidłowej aktywności podczas podziału komórek. Advances in Bioscience and Biotechnology, 7 (03), 169.
  5. Inaba, K. i Mizuno, K. (2016). Dysfunkcja plemników i ciliopatia. Reproductive Medicine and Biology, 15 (2), 77-94.
  6. Keeling, J., Tsiokas, L. i Maskey, D. (2016). Mechanizmy komórkowe kontroli długości rzęsek. Komórki, 5 (1), 6.
  7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A., Martin, K.C. (2016). Molekularna biologia komórkowa. Nowy Jork: W. H. Freeman and Company.
  8. Matamoros, A. J. i Baas, P. W. (2016). Mikrotubule w zdrowiu i choroby zwyrodnieniowe układu nerwowego. Brain Research Bulletin, 126, 217-225.
  9. Pellegrini, L., Wetzel, A., Granno, S., Heaton, G. i Harvey, K. (2016). Powrót do kanalika: dynamika mikrotubul w chorobie Parkinsona. Cellular and Molecular Life Sciences, 1-26.
  10. Scheer, U. (2014). Historyczne korzenie badań centrosomu: odkrycie szkiełek mikroskopowych Boveriego w Würzburgu. Phil. Trans. R. Soc. B, 369 (1650), 20130469.
  11. Severson, A. F., von Dassow, G. i Bowerman, B. (2016). Rozdział piąty: Zespół i funkcja wrzeciona mejotycznego oocytu. Aktualne tematy w biologii rozwojowej, 116, 65-98.
  12. Soley, J. T. (2016). Porównawczy przegląd kompleksu centriolarnego plemników u ssaków i ptaków: wariacje na temat. Nauka o reprodukcji zwierząt, 169, 14-23.
  13. Vertii, A., i Doxsey, S. (2016). Centrosome: Phoenix Organelle odpowiedzi immunologicznej. Single Cell Biology, 2016.
  14. Vertii, A., Hehnly, H. i Doxsey, S. (2016). Centrosome, multitalentna renesansowa organelle. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8 (12), a025049.
  15. Aktywacja limfocytów T. Oryginalna praca rządu federalnego USA - domena publiczna. Przetłumaczone przez BQmUB2012110.
  16. Alejandro Porto - Pochodzi z pliku: Aufbau einer Tierischen Zelle.jpg z Petr94. Podstawowy zarys zwierzęcej komórki eukariotycznej. 
  17. Kelvinsong - Centrosome Cycle (wersja edytorów) .svg. Przetłumaczone na język hiszpański przez Alejandro Porto.
  18. Kelvinsong - Praca własna. Schemat centrosomu bez żółtej ramki.
  19. Kelvinsong, Centriole-en, CC BY 3.0. 
  20. NIAID / NIH - strumień zdjęć NIAID Flickr. Mikrofotografia ludzkiego limfocytu T (zwanego również komórką T) układu odpornościowego zdrowego dawcy.  
  21. Silvia Márquez i Andrea Lassalle, Tubulina, CC BY 3.0
  22. Uproszczony schemat spermatozoon.svg: Praca pochodna Mariana Ruiz: Miguelferig.