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25.7: Zellmigration 420
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Cell Migration
 
PROTOKOLLE

25.7: Cell Migration

25.7: Zellmigration 420

Cell migration, the process by which cells move from one location to another, is essential for the proper development and viability of organisms throughout their life. When cells are not able to migrate properly to their ordained locations, various disorders may occur. For example, disruption in cell migration causes chronic inflammatory diseases such as arthritis.

General Mechanism

Generally, cellular migration begins when a cell, such as a fibroblast, responds to an external-polarizing-chemical signal. As a result, one end extends itself as a protrusion called the leading edge, which attaches itself to substrates via secreted adhesive compounds, in its microenvironment. The trailing edge—the area that serves as the back of the cell—also adheres to substrates to anchor the cell. After adhesion, the cell is propelled towards its destination by a sequence of contractions that are generated by cytoskeletal motility structures. Then, the adhesive attachment at the trailing edge gets released. These steps are repeated cyclically until the fibroblast reaches its destination.

Polarization

There is a diversity in the different types of signaling molecules that initiate cell migration. They illicit two types of responses: chemokinetic and chemotactic. Chemokinesis refers to movement that occurs when signaling molecules either symmetrically or asymmetrically stimulate cell migration without dictating the directionality of the resultant movement. Chemotaxis refers to a movement where a gradient of soluble (chemotactic) or substrate-bound (haptotactic) signaling molecules dictates the directionality of cellular movement.

Membrane receptors such as G-protein coupled receptors (GPCR) and receptor tyrosine kinase receptors (RTK) detect external signaling molecules and cause an accumulation of phosphatidylinositol (3,4,5) triphosphate (PIP3) at the leading edge. The accumulation of PIP3 then leads to the activation of Rho-family Ras-like small proteins called Rac, Cdc42, and Rho. Rac and/or Cdc42 cause cytoskeletal changes such as actin polymerization at the leading edge while Rho causes actin-myosin contractions at the trailing edge. As a result of actin polymerization, protrusions are generated at the leading edge.

Types of Protrusions

Actin serves as a physical scaffold for protrusions. Consequently, the shape of protrusion structures varies depending on how actin is assembled. Two commonly studied types of protrusions are lamellipodia and filopodia. Lamellipodia are broad, sheet-like protrusions that contain a branched network of thin, short actin filaments. When lamellipodia lift away from the substrate and move backward, a notably distinct ruffling movement occurs. Lamellipodia protrusions can be found in cells like fibroblasts, immune cells, and neurons. Filopodia are thin-finger-like protrusions that emanate from cell membranes. They are often observed in cells, such as neurons, working in tandem with lamellipodia during migration.

Zellmigration, also der Prozess, durch den sich Zellen von einem Ort zum anderen bewegen, ist für die richtige Entwicklung und Lebensfähigkeit von Organismen während ihres gesamten Lebens von wesentlicher Bedeutung. Wenn die Zellen nicht in der Lage sind, richtig an ihre vorbestimmten Orte zu migrieren, können verschiedene Störungen auftreten. Zum Beispiel verursacht eine Störung der Zellmigration chronische Entzündungskrankheiten wie Arthritis.

Der allgemeine Mechanismus

Im Allgemeinen beginnt die zelluläre Migration, wenn eine Zelle, z.B. ein Fibroblast, auf ein externes polarisierendes chemisches Signal reagiert. Infolgedessen dehnt sich ein Ende als Vorsprung, die so genannte Vorderkante, aus, welche sich in ihrer Mikroumgebung über abgesonderte Klebstoffverbindungen an Substrate heftet. Die hintere Kanteder Bereich, der als Rückseite der Zelle dient, haftet ebenfalls an Substraten, um die Zelle zu fixieren. Nach der Adhäsion wird die Zelle durch eine Folge von Kontraktionen, die durch zytoskelettale Motilitätsstrukturen erzeugt werden, zu ihrem Zielort befördert. Dann wird die Klebeverbindung an der Hinterkante gelöst. Diese Schritte werden zyklisch wiederholt, bis der Fibroblast sein Ziel erreicht hat.

Polarisierung

Es gibt eine Vielfalt an verschiedenen Arten von Signalmolekülen, die die Zellmigration einleiten. Sie verursachen zwei Arten von Reaktionen: eine chemokinetische und eine chemotaktische. Chemokinese bezieht sich auf Bewegung, die auftritt, wenn Signalmoleküle entweder symmetrisch oder asymmetrisch die Zellmigration stimulieren, ohne die Richtungsabhängigkeit der resultierenden Bewegung zu diktieren. Die Chemotaxis bezieht sich auf eine Bewegung, bei der ein Gradient von löslichen (chemotaktischen) oder substratgebundenen (haptotaktischen) Signalmolekülen die Richtungsabhängigkeit der Zellbewegung bestimmt.

Membranrezeptoren wie G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPGR) und Rezeptor-Tyrosinkinase-Rezeptoren (RTR) erkennen externe Signalmoleküle und verursachen eine Anreicherung von Phosphatidylinositol (3,4,5)-Triphosphat (PIP3) an der Vorderkante. Die Anhäufung von PIP3 führt dann zur Aktivierung von kleinen, Ras-ähnlichen Proteinen der Rho-Familie namens Rac, Cdc42 und Rho. Rac und/oder Cdc42 lösen an der Vorderkante Veränderungen des Zytoskeletts aus, wie z.B. die Aktin-Polymerisation, während Rho an der Hinterkante Aktin-Myosin-Kontraktionen verursacht. Als Ergebnis der Aktin-Polymerisation werden an der Vorderkante Vorsprünge erzeugt.

Arten von Vorsprüngen

Aktin dient als physisches Gerüst für diese Vorsprünge. Folglich variiert die Form der Vorsprungsstrukturen je nach der Art und Weise, wie das Aktin zusammengesetzt wird. Zwei häufig untersuchte Arten von Vorsprüngen sind Lamellipodien und Filopodien. Lamellipodien sind breite, flächige Vorsprünge, die ein verzweigtes Netzwerk aus dünnen, kurzen Aktinfilamenten enthalten. Wenn sich die Lamellipodien vom Substrat abheben und sich nach hinten bewegen, kommt es zu einer deutlich ausgeprägten Kräuselbewegung. Lamellipodienvorsprünge können in Zellen wie Fibroblasten, Immunzellen und Neuronen gefunden werden. Filopodien sind dünnfingerartige Vorsprünge, die von Zellmembranen ausgehen. Sie werden oft in Zellen wie Neuronen beobachtet, die während der Migration mit Lamellipodien zusammenarbeiten.


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