مقدمة في الالتقام الخلوي وإفراز الخلايا

المسارات الداخلية والخارجية ضرورية للتوازن الخلوي ووظيفة الأنسجة وبقاء الخلية بشكل عام. ببساطة ، الالتقام الخلوي هو العملية التي تستخدمها الخلية لأخذ جزيئات من الفضاء خارج الخلية عن طريق طي غشاءها حولها وتشكيل حويصلة. إفراز الخلايا هو العملية العكسية ، والتي تستخدم الحويصلات لإطلاق المواد إلى الفضاء خارج الخلية. وقد اقترح أن هذه العمليات تلعب دورا مهما في إفراز الهرمونات, استيعاب مستقبلات الغشاء, ابتلاع مسببات الأمراض, والاتصالات العصبية.

اليوم ، سنستعيد بعض الاكتشافات البارزة في مجال الالتقام الخلوي وإفراز الخلايا ، ونسلط الضوء على بعض الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها ، ونعرض طرقا بارزة تستخدم اليوم ، وأخيرا ، نستكشف بعض التجارب المحددة التي تم إجراؤها لفهم هذه العمليات بشكل أفضل.

دعنا نعيد النظر في بعض الاكتشافات الهامة التي أدت إلى الفهم الحالي للالتقام الخلوي وإفراز الخلايا.

يمكن تعيين الوثائق الأولى المتعلقة بالالتقام الخلوي إلى عام 1882 ، عندما لاحظ إيليا ميتشنيكوف ، باستخدام المجهر الضوئي ، أن خلايا معينة ابتلعت مسببات الأمراض الغازية. أطلق على هذه العملية اسم "البلعمة" ، حيث تبتلع الخلايا مسببات الأمراض عن طريق تكوين الحويصلة. بعد ما يقرب من نصف قرن ، في عام 1931 ، لاحظ وارن لويس عملية مماثلة لتكوين الحويصلة عندما امتصت الخلايا السوائل. أطلق على هذا السلوك اسم "كثرة الكريات"في

وقت لاحق من عام 1953 ، اكتشف جورج بالاد ، أثناء فحص التنظيم الهيكلي والوظيفي للخلية ، غزوات "شبيهة بالكهف" للأغشية ، وأطلق عليها اسم caveolae. واستنتج أن هذه يجب أن تكون مطلوبة لتناول الخلايا. بعد فترة وجيزة ، في عام 1955 ، صاغ كريستيان دي دوف الحائز على جائزة نوبل مصطلح الالتقام الخلوي ، والذي شمل "البلعمة" و "كثرة الكريات العصبية". ومع ذلك ، فإن قصة الالتقام الخلوي لم تنته بعد.

في عام 1975 ، لاحظ مايكل براون وجوزيف غولدشتاين ، مع خبير المجهر الإلكتروني ريتشارد أندرسون ، أنه عندما يرتبط البروتين الدهني منخفض الكثافة ، أو LDL ، بمستقبلات سطح الخلية ، فإنه يؤدي إلى تكوين "حفر مغلفة". ثم يتم استيعاب هذه الحفر ، ومستقبلات LDL للخلايا الداخلية. كان هذا هو اكتشاف النوع الثالث ، المسمى "الالتقام الخلوي بوساطة المستقبلات". في نفس العام ، عزلت باربرا بيرس بروتين الغلاف الرئيسي ، وهو جزيء ثلاثي الهيكل ، وأطلق عليه اسم الكلاثرين. لذلك ، تسمى هذه العملية أيضا "الالتقام الخلوي بوساطة الكلاثرين".

كان هذا كل ما يتعلق بالالتقام الخلوي. الآن دعونا نناقش كيف تعلمنا عن إفراز الخلايا. في عام 1980 ، أنتجت مجموعة راندي شيكمان طفرات خميرة كانت تعاني من نقص في الإفراز ، وكشفت عن وجود جينات حرجة تشفر البروتينات اللازمة لإفراز الخلايا.

في عام 1993 ، حدد جيمس روثمان بعض هذه البروتينات ، وبناء على طبيعتها الكيميائية ، تم تسميتها SNAREs. في "فرضية SNARE" ، اقترح أن هذه الهياكل الحلزونية ترتبط ببعضها البعض ، مما يتسبب في اقتراب الأغشية بقوة كافية للاندماج وتوليد إفراز الخلايا.

في نفس الوقت تقريبا ، أثبت توماس سودهوف أن هذه العملية تم التحكم فيها بإحكام في الخلايا العصبية عن طريق بروتينات استشعار الكالسيوم تسمى synaptotagmins التي عززت اندماج الحويصلة وتوقيت دقيقا لإطلاق الناقل العصبي. حصل هؤلاء العلماء معا على جائزة نوبل في عام 2013.

على الرغم من اتساع نطاق هذه الاكتشافات ، لا تزال هناك العديد من الألغاز المثيرة للاهتمام. دعونا نلقي نظرة على بعض الأسئلة التي يتم استكشافها اليوم.

بدأ العلماء يتساءلون كيف تتجاوز وظائف الالتقام الخلوي وإفراز الخلايا اكتساب المواد وإفرازها. على سبيل المثال ، كيف يتم إطلاق الناقلات العصبية باستمرار بواسطة الحويصلات التي تندمج في غشاء الخلية دون توسع كارثي في حجم الخلية؟ إنهم يحاولون تحديد الإشارات التي تجعل الخلايا تستوعب الغشاء ، من أجل تعويض التوسع وإعادة تدوير الموارد.

موضوع آخر مثير للاهتمام هو: ما هي المكونات التي تشكل الآلية الجزيئية المتطورة التي تقود هذه العمليات؟ على سبيل المثال ، يتطلب البلعمة تشوهات غشائية كبيرة لإحاطة مسببات الأمراض الغازية. يبحث العلماء في كيفية مساهمة بروتينات الهيكل الخلوي مثل الأكتين في إعادة تشكيل الأغشية بشكل كبير.

أخيرا ، نظرا لأن الالتقام الخلوي الشاذ وإفراز الخلايا يمكن أن يؤدي إلى أمراض خطيرة ، فإن العلماء مهتمون بفهم أسباب هذا الخلل في التنظيم. أحد البروتينات التي يتم فحصها هو α-سينوكلين ، الذي كان إفرازه من الخلايا العصبية متورطا في الموت التدريجي للخلايا العصبية القريبة. يمكن أن يوفر فهم إفراز الخلايا رؤى قيمة حول علاج الأمراض التنكسية العصبية مثل مرض باركنسون.

الآن بعد أن نظرنا في بعض الأسئلة الرئيسية التي يتم التحقيق فيها ، دعنا نرى الأدوات المتاحة للإجابة عليها.

يستخدم الباحثون مقايسة بيوتينيل الخلية لتتبع الالتقام الخلوي لبروتينات سطح الخلية. تتضمن هذه العملية تسمية بروتين سطحي بالبيوتين الموسوم بالفلورسنت ، ثم السماح للخلية بالخضوع للخلية الالتقام الخلوي. يمكن أن يتبع ذلك تحليل اللطخة المناعية ، مما يكشف عن استيعاب البروتين.

من أجل تحديد إعادة تدوير الحويصلة العصبية ، يقوم العديد من العلماء بتسمية الخلايا بجزيئات الفلورسنت الخاصة بالغشاء ، مثل أصباغ FM. ترتبط هذه الأصباغ بثبات بالنشرة الخارجية ، ولا يتم استيعابها إلا عن طريق الالتقام الخلوي. بعد التحفيز المتسلسل ، يتم إفرازها. يتيح تحليل الإطلاق باستخدام المجهر الفلوري نظرة أعمق على عملية إعادة التدوير بأكملها.

في كثير من الأحيان ، للتلاعب وفهم مساهمات المكونات التي تسمح بإفراز الخلايا ، يقوم العلماء بإعداد فحوصات الاندماج. يتم تحضير مجموعتين من الحويصلات ذات محتويات صبغة الفلورسنت المميزة والسماح لها بالالتقاء معا. يؤدي الاندماج بينهما إلى تكوين منتج جديد ، والذي يمكن مراقبته باستخدام قارئ الألواح الدقيقة.

أخيرا ، توفر طرق التصوير المتطورة ، بما في ذلك التصوير الفلوري وتصوير الخلايا الحية الفلورية ، للباحثين فرصة فريدة لتصوير الهياكل المورفولوجية والأحداث الجزيئية للالتقام الخلوي وإفراز الخلايا.

أخيرا ، دعنا نلقي نظرة على بعض الطرق المحددة التي ينفذ بها العلماء هذه الأدوات في المختبرات اليوم.

يهتم علماء الأحياء الخلوية بدراسة كيف يساعد الإفراز الخلوي في التئام الأغشية المصابة. هنا ، أصاب الباحثون أولا الخلايا في محلول أصباغ FM عن طريق دحرجة الخرز الزجاجي فوقها. يظهر التصوير الفلوري اللاحق أنه إذا كان معدل إفراز الخلايا سريعا ، فسوف يغلق الغشاء بسرعة ويوقف تسرب FM إلى الخلية. عندما يكون إفراز الخلايا بطيئا ، فإنه ينتج عنه تلطيخ FM واسع النطاق داخل الخلايا.

يمكن للباحثين استخدام فحوصات الاندماج لنمذجة مساهمة بروتينات اندماج معينة. هنا ، عبر الباحثون عن بروتينات غشائية مختلفة مرتبطة بالحوصلة أو "VAMPs" ، وهي بروتينات SNARE ، على سطح مجموعتين من الخلايا. ثم سمح للاندماج بالحدوث ، وتم قياس النتيجة باستخدام مقياس الطيف. باستخدام هذا الإعداد ، تمكن العلماء من مقارنة كفاءات الاندماج للعديد من VAMPs.

أخيرا ، يهدف الباحثون إلى فهم الالتقام الخلوي لمستقبلات سطح الخلية استجابة للدواء. هنا ، عالج العلماء الخلايا الموسومة بالفلورسنت بدواء ، وتصور الالتقام الخلوي العلاجي للمستقبلات يحدث في الوقت الفعلي باستخدام الفحص المجهري بفاصل زمني.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الالتقام الخلوي وإفراز الخلايا. في هذا الفيديو ، استعرضنا النقاط البارزة التاريخية بدءا من اكتشاف البلعمة إلى تحديد آليات إطلاق الناقل العصبي. بعد ذلك ، قدمنا بعض الأسئلة الرئيسية التي يتم طرحها. استكشفنا أيضا استراتيجيات البحث البارزة ، وناقشنا بعض تطبيقاتها الحالية. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!