Tính phân cực và bất đối xứng của tế bào

Tính phân cực của tế bào là sự bất đối xứng có tổ chức của một tế bào, trong đó các thành phần của nó, bao gồm màng sinh chất, bộ xương tế bào và các bào quan, được phân bố không đều để tạo ra các miền riêng biệt và một hướng xác định. Sự bất đối xứng này cho phép các tế bào biểu mô phân tách bề mặt đỉnh (apical) khỏi bề mặt đáy (basal), cho phép các tế bào di chuyển phân biệt phía trước với phía sau, và cho phép các tế bào phân chia phân tách các yếu tố quyết định số phận, làm cho tính phân cực trở thành nền tảng cho cách các tế bào xây dựng mô và thực hiện các chức năng định hướng.

Definition

Tính phân cực của tế bào là sự thiết lập và duy trì một tổ chức bất đối xứng của các miền màng, bộ xương tế bào và các thành phần bên trong tế bào, tạo ra các vùng chức năng riêng biệt và một trục định hướng xác định.

Scope

Mục này đề cập đến khái niệm tính phân cực của tế bào, các hệ thống protein được bảo tồn giúp thiết lập và duy trì nó, cũng như các dạng chính của nó, bao gồm tính phân cực đỉnh-đáy (apical-basal) của biểu mô và tính phân cực trước-sau (front-rear) của các tế bào di chuyển. Đây là một chủ đề tham khảo và giáo dục trong sinh học tế bào; quá trình hình thái và di chuyển của mô được đề cập trong các mục liên quan, và không có hướng dẫn lâm sàng nào được cung cấp.

Core questions

• Một tế bào được phân cực có nghĩa là gì?
• Những phức hợp protein được bảo tồn nào thiết lập và duy trì tính phân cực?
• Tính phân cực đỉnh-đáy của biểu mô và tính phân cực trước-sau khi di chuyển khác nhau và liên quan như thế nào?
• Tính phân cực được kết nối với bộ xương tế bào và vận chuyển màng như thế nào?

Key concepts

• Tính phân cực đỉnh-đáy
• Tính phân cực trước-sau (phẳng/di chuyển)
• Các phức hợp phân cực Par, Crumbs và Scribble
• Đối kháng lẫn nhau của các miền vỏ tế bào
• Vận chuyển màng có phân cực
• Bất đối xứng bộ xương tế bào
• Phân chia tế bào bất đối xứng

Key theories

Các phức hợp phân cực được bảo tồn

St Johnston và Ahringer mô tả cách một tập hợp nhỏ các mô-đun protein được bảo tồn, bao gồm các phức hợp Par, Crumbs và Scribble, tương tác thông qua đối kháng lẫn nhau để phân chia vỏ tế bào thành các miền riêng biệt trên các loại tế bào đa dạng từ trứng đến biểu mô.

Các trạng thái phân cực có thể chuyển đổi lẫn nhau

Nelson mô tả tính phân cực đỉnh-đáy và trước-sau là các tổ chức liên quan, có thể chuyển đổi lẫn nhau của cùng một bộ máy cơ bản, cho phép các tế bào biểu mô chuyển đổi giữa trạng thái tĩnh, xây dựng mô và trạng thái di chuyển.

Mechanisms

Tính phân cực được thiết lập khi các tín hiệu phá vỡ đối xứng, chẳng hạn như tiếp xúc giữa tế bào với tế bào hoặc giữa tế bào với chất nền ngoại bào, hoặc các gradient bên ngoài, được khuếch đại bởi các phức hợp protein vỏ tế bào được bảo tồn, chúng loại trừ lẫn nhau để xác định các miền màng riêng biệt. Phức hợp Par, phức hợp Crumbs và phức hợp Scribble phân chia bề mặt đỉnh và bề mặt đáy bên (basolateral) của các tế bào biểu mô, trong khi tín hiệu liên quan phân cực phía trước và phía sau của các tế bào di chuyển. Các miền vỏ tế bào này tổ chức bộ xương actin và vi ống, đồng thời định hướng vận chuyển túi có phân cực để các protein cụ thể được đưa đến các bề mặt nhất định, và trong các tế bào phân chia, sự bất đối xứng này có thể được sử dụng để phân tách các yếu tố quyết định số phận giữa các tế bào con.

Clinical relevance

Tính phân cực là nền tảng cho các chức năng hàng rào và vận chuyển của mô biểu mô, và việc mất tính phân cực bình thường là một đặc điểm của mô bị rối loạn và tân sinh, do đó khái niệm này có liên quan đến mô học và bệnh học. Mục này mô tả tính phân cực tế bào bình thường để tham khảo và giáo dục và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị.

Evidence & guidelines

Thông tin ở đây dựa trên các đánh giá có thẩm quyền về tính phân cực của tế bào và trong các sách giáo khoa sinh học tế bào tiêu chuẩn; đây là khoa học cơ bản mang tính mô tả hơn là nội dung hướng dẫn lâm sàng.

History

Việc nhận ra rằng các tế bào có tính bất đối xứng không gian đã có từ lâu trong nghiên cứu về biểu mô và trứng đã thụ tinh, nhưng cơ sở phân tử đã xuất hiện từ các nghiên cứu di truyền trên các sinh vật mô hình như Caenorhabditis elegans và Drosophila, đã xác định các gen Par và các yếu tố điều hòa phân cực được bảo tồn khác. Công trình tiếp theo, được tổng hợp trong các đánh giá của St Johnston và Ahringer và của Nelson, đã chỉ ra rằng các mô-đun tương tự hoạt động trên các loại tế bào rất khác nhau và các trạng thái phân cực riêng biệt có thể chuyển đổi lẫn nhau.

Debates

Bộ máy phân cực thống nhất đến mức nào giữa các loại tế bào?

Mặc dù các phức hợp cốt lõi như Par được bảo tồn rộng rãi, nhưng mức độ mà tính phân cực đỉnh-đáy và trước-sau chia sẻ một cơ chế duy nhất so với việc triển khai các chương trình cụ thể theo ngữ cảnh riêng biệt vẫn là một câu hỏi đang được nghiên cứu.

Key figures

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

Seminal works

• stjohnston-ahringer-2010
• nelson-2009

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa tính phân cực đỉnh-đáy và trước-sau là gì?

Tính phân cực đỉnh-đáy tổ chức một tế bào biểu mô tĩnh thành một bề mặt trên (đỉnh) hướng ra lòng ống hoặc bên ngoài và một bề mặt dưới (đáy) gắn với các tế bào và chất nền khác; tính phân cực trước-sau tổ chức một tế bào di chuyển theo hướng chuyển động của nó. Hai loại này sử dụng bộ máy chồng chéo và có thể chuyển đổi lẫn nhau.

Tại sao tính phân cực của tế bào lại quan trọng đối với các mô?

Tính phân cực cho phép các tế bào biểu mô tạo thành các tấm có trật tự với các bề mặt riêng biệt, cho phép vận chuyển định hướng và chức năng hàng rào; nếu không có nó, các mô sẽ mất đi cấu trúc có tổ chức của chúng.