Zellpolarität und Asymmetrie

Zellpolarität ist die organisierte Asymmetrie einer Zelle, bei der ihre Komponenten, einschließlich der Plasmamembran, des Zytoskeletts und der Organellen, ungleichmäßig verteilt sind, um unterschiedliche Domänen und eine definierte Direktionalität zu schaffen. Diese Asymmetrie ermöglicht es Epithelzellen, eine apikale von einer basalen Oberfläche zu trennen, migrierenden Zellen, vorne von hinten zu unterscheiden, und sich teilenden Zellen, Schicksalsdeterminanten zu segregieren, wodurch Polarität grundlegend dafür wird, wie Zellen Gewebe aufbauen und gerichtete Funktionen ausführen.

Definition

Zellpolarität ist die Etablierung und Aufrechterhaltung einer asymmetrischen Organisation der Membrandomänen, des Zytoskeletts und des Inhalts einer Zelle, wodurch funktionell unterschiedliche Regionen und eine definierte Orientierungsachse entstehen.

Scope

Dieser Eintrag behandelt das Konzept der Zellpolarität, die konservierten Proteinsysteme, die sie etablieren und aufrechterhalten, sowie ihre Hauptformen, einschließlich der apikal-basalen Polarität von Epithelien und der Vorder-Hinter-Polarität migrierender Zellen. Es handelt sich um ein Referenz- und Bildungsthema in der Zellbiologie; Gewebemorphogenese und -migration als Prozesse werden in verwandten Einträgen behandelt, und es werden keine klinischen Leitlinien bereitgestellt.

Core questions

• Was bedeutet es für eine Zelle, polarisiert zu sein?
• Welche konservierten Proteinkomplexe etablieren und erhalten die Polarität?
• Wie unterscheiden sich die apikal-basale und die migratorische Vorder-Hinter-Polarität von Epithelien und wie hängen sie zusammen?
• Wie ist die Polarität an das Zytoskelett und den Membrantransport gekoppelt?

Key concepts

• Apikal-basale Polarität
• Vorder-Hinter- (planare/migratorische) Polarität
• Par-, Crumbs- und Scribble-Polaritätskomplexe
• Gegenseitiger Antagonismus kortikaler Domänen
• Polarisierter Membrantransport
• Zytoskelettale Asymmetrie
• Asymmetrische Zellteilung

Key theories

Konservierte Polaritätskomplexe

St Johnston und Ahringer beschreiben, wie ein kleiner Satz konservierter Proteinmodule, einschließlich der Par-, Crumbs- und Scribble-Komplexe, durch gegenseitigen Antagonismus interagieren, um den Zellkortex in verschiedene Domänen über diverse Zelltypen hinweg, von Eiern bis zu Epithelien, aufzuteilen.

Ineinander umwandelbare Polaritätszustände

Nelson beschreibt die apikal-basale und die Vorder-Hinter-Polarität als verwandte, ineinander umwandelbare Organisationen derselben zugrunde liegenden Maschinerie, die es Epithelzellen ermöglicht, zwischen einem stationären, gewebebildenden Zustand und einem migratorischen Zustand zu wechseln.

Mechanisms

Polarität wird etabliert, wenn Symmetrie-brechende Signale, wie Zell-Zell- oder Zell-Matrix-Kontakte oder externe Gradienten, durch konservierte kortikale Proteinkomplexe verstärkt werden, die sich gegenseitig ausschließen, um separate Membrandomänen zu definieren. Der Par-Komplex, der Crumbs-Komplex und der Scribble-Komplex teilen die apikale und basolaterale Oberfläche von Epithelzellen auf, während verwandte Signalwege die Vorder- und Rückseite migrierender Zellen polarisieren. Diese kortikalen Domänen organisieren das Aktin- und Mikrotubuli-Zytoskelett und steuern den polarisierten Vesikeltransport, sodass spezifische Proteine an bestimmte Oberflächen geliefert werden, und in sich teilenden Zellen kann diese Asymmetrie genutzt werden, um Schicksalsdeterminanten zwischen den Tochterzellen zu segregieren.

Clinical relevance

Polarität liegt den Barriere- und Transportfunktionen von Epithelgeweben zugrunde, und der Verlust der normalen Polarität ist ein Merkmal von desorganisiertem und neoplastischem Gewebe, sodass das Konzept für Histologie und Pathologie relevant ist. Dieser Eintrag beschreibt die normale Zellpolarität zu Referenz- und Bildungszwecken und ist keine Grundlage für Diagnose oder Behandlung.

Evidence & guidelines

Die hier dargestellten Informationen basieren auf maßgeblichen Übersichtsartikeln zur Zellpolarität und auf Standardlehrbüchern der Zellbiologie; es handelt sich um beschreibende Grundlagenforschung und nicht um Inhalte klinischer Leitlinien.

History

Die Erkenntnis, dass Zellen räumlich asymmetrisch sind, ist in der Untersuchung von Epithelien und befruchteten Eiern seit langem bekannt, aber die molekulare Grundlage ergab sich aus genetischen Studien an Modellorganismen wie Caenorhabditis elegans und Drosophila, die die Par-Gene und andere konservierte Polaritätsregulatoren identifizierten. Nachfolgende Arbeiten, zusammengefasst in Übersichtsartikeln von St Johnston und Ahringer sowie von Nelson, zeigten, dass dieselben Module in sehr unterschiedlichen Zelltypen wirken und dass unterschiedliche Polaritätszustände ineinander umwandelbar sind.

Debates

Wie einheitlich ist die Polaritätsmaschinerie über Zelltypen hinweg?

Während Kernkomplexe wie Par weitgehend konserviert sind, bleibt die Frage, inwieweit apikal-basale und Vorder-Hinter-Polarität einen einzigen Mechanismus teilen oder unterschiedliche kontextspezifische Programme einsetzen, eine aktive Forschungsfrage.

Key figures

• Daniel St Johnston
• Julie Ahringer
• W. James Nelson

Seminal works

• stjohnston-ahringer-2010
• nelson-2009

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen apikal-basaler und Vorder-Hinter-Polarität?

Die apikal-basale Polarität organisiert eine stationäre Epithelzelle in eine obere (apikale) Oberfläche, die einem Lumen oder der Außenseite zugewandt ist, und eine untere (basale) Oberfläche, die an andere Zellen und die Matrix gebunden ist; die Vorder-Hinter-Polarität organisiert eine migrierende Zelle entlang ihrer Bewegungsrichtung. Beide nutzen überlappende Mechanismen und können ineinander umgewandelt werden.

Warum ist die Zellpolarität für Gewebe wichtig?

Polarität ermöglicht es Epithelzellen, geordnete Schichten mit unterschiedlichen Oberflächen zu bilden, was gerichteten Transport und Barrierefunktion ermöglicht; ohne sie verlieren Gewebe ihre organisierte Architektur.