دانلود رایگان ترجمه مقاله بخش بندی غشای سلولی (ساینس دایرکت – الزویر ۲۰۱۶)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

در کل، دومین های غشایی قطبیده در بسیاری از انواع سلولها به وسیله ی انواع خاصی از داربست های غشایی سازمان می یابند. شکل ۱ یک ساختار عمومی از داربست غشایی را نشان میدهد. این ساختار میتواند به لایه های عملکردی تقسیم شود. با شروع از بخش خارج سلولی ، اکتودومین های گیرنده های گذرنده از عرض غشاء با افکتورهای متحرک و ساختارهای ثابت میانکنش می کنند. چگونگی اتصال لیگاند گذرنده از عرض غشاء برای القای به خدمت گرفتن آداپتور کاملا معلوم نیست.اغلب، اتصال لیگاند با دایمریزاسیون گیرنده همراه است. در طرف داخل سلولی، پروتیین های اداپتور موتیف های پپتیدی را در دنباله های سیتوپلاسمی گیرنده ها شناسایی می کنند. بیشتر پروتیین های آداپتور دارای تعدادی میانکنش های پروتیین-پروتیین هستند که منجر به منزوی شدن بقیه ی پروتیین های ترانس ممبران، سایر داربست ها ، مولکول های پیام رسان و فیلامنتهای اکتین می شود. علاوه براین مولکول های داربست کننده میتوانند به طور مستقیم از طریق موتیف های متصل شونده به لیپید با پروتیین میانکنش کنند. وابستگی متقابل فضا-زمانی این شبکه ی میانکنشی شامل بازخوردهای مثبت و منفی است از طریق تعیین هویت مولکولی و ساختار و عملکرد دومین ممبران مربوطه است. به ویژه اینکه این گردهمایی ها بوسیله ی نانوکلاسترهای لیپیدی حاوی کلسترول، PIP2 و یا هر دو ماجول می شود. چنین کلاسترهایی فقط به اسکلت سلولی متصل نمی شوند بلکه پروتیین های پلیمریزاسیون اکتین را جذب و ساختار اسکلت سلولی را ماجوله می کند. درگیر کردن این شبکه های میانکنشی در فضا و زمان نیازمند یک اتصال سیستماتیکی از روش های آزمایشگاهی و مدل سازی جدید است. نمونه های داربست های غشایی مهم اتصالات ماتریکس سلولی( چسبندگی کانونی) اتصالات سول-سلول (ادهرنس، محکم و اتصالات عصبی و دسموزوم ها) و برآمدگی های غشایی قطبیده (لاملی پودیا، آکسون، border,brush و پرزهای سلولهای اپیتلیال) هستند.

اینکه داربست های غشایی چگونه می توانند بر تفکیک پروتیین ها و لیپیدهای غشایی در مقیاس نانو تاثیر بگدارند در مطالعه ی منی توسط گروه Kusumi’s نشان داده شده است. ردیابی تک ذره ای سریع پروتیین های ترانس ممبران و آنالوگ های لیپیدهای لایه ی خارجی غشاء یک الگوی انتشار محدود در مقیاس فضایی محدود در زیر حد پراش میکروسکوپ نوری نشان داد. پروتیین ها و لیپیدهای غشاء به صورت موضعی سریع حرکت میکنند( کمتر از ۶۰ تا ۲۰۰ نانومتر) اما در هر بخش قبل از جهیدن به بخش همسایه بیش از یک میلی ثانیه باقی می مانند. Aki Kusumi این الگوی انتشار را انتشار هاپ نامید و پیشنهاد کرد که فیلامنت های اکتین متصل شونده به غشاء که در سطح سیتوپلاسمی غشاء قرار دارند ، به عنوان مرزهایی برای پروتیین های ترانس ممبران در حال انتشار عمل می کنند. علاوه بر این پروتیین های غشایی که که اسکلت سلولی را به غشاء سلولی لنگر می کنند به عنوان موانعی درون صفحه ی غشاء عمل می کنند که انتشار لیپیدها حتی در لایه ی خارجی را نیز محدود می کند. این یافته که بسیاری از پروتیین ها می توانند بین وضعیت متصل به اکتین یا غیر متصل به اکتین تغییر کنند یک مدل جامعی را ایجاد می کند که بسیاری از این دینامیک های غشایی مشاهده شده را توضیح می دهد.
شبیه سازی ها و آزمایشات اخیر نشان می دهد که داربست های غشایی میتواند بر سازماندهی لیپیدها اثر نیرومندی داشته باشد که بسیار فراتر از موانع انتشار منفعل است. در غشاءهای پیچیده که به فا گذر نزدیک هستند ، پین گذاری اجزاء سازنده ی غشاء با یک داربست می تواند دومین های لیپید را تحریک یا سرکوب کند که به دما و الگوی پین گذاری بستگی دارد. شبیه سازی های ساده ی مدل دوبعدی آیزینگ رفتار انتقال فاز و غشاءهای مدل سه تایی و حتی وزیکول های پیچیده ی مشتق شده از سلول را نشان داده است. شبیه سازی های پیشرفته تر پیش بینی کرده اند که پین گذاری فضا زمان اجزاء تشکیل دهنده ی غشاء منجر به از دست رفتن گسترده و حتی کامل انتقال فاز خواهد شد. این مکانیزم از ماده چگال و فیزیک آماری به عنوان اختلال در فرو نشستن شناخته شده است و در مواد شیشه مانند و انتقال فرومغناطیس مطالعه شده است. پیش بینی های in-silico برای غشاءهای لیپیدی اخیرا در بسیاری از روش های آزمایشگاهی (in vitro) اثبات شده است. با استفاده از چسبندگی به عنوان منبع پین گذاری لیپید در وزیکول های تک سلولی غول پیکر در تفکیک فاز ، Zhao و همکاراراان دادن که در دمای بالاتر از دمای انتقال فاز دومین های لیپیدی در محل های چسبندگی پایدار می شوند. Honigmann و همکارانش از یک کورتکس مصنوعی استفاده کردد که به یک غشاء حمایت شده با لنگرهای لیپیدی متصل بود. مطابق شبیه سازی ها، پین گذاری با meshwork های اکتین متراکم از تفکیک فاز بزرگ مقیاس در دمای پایین جلوگیری کرده و دومین های لیپید را در دماهای بالا تثبیت می کند. با استفاده از روشی مشابه ، Arumugam و همکارانش به نتیجه ی مشابهی درمورد GUVs رسیدند.
کار incilico و in vitro به وضوح نشان نشان میدهد که یک مکانیسم نامظلوب خاموش شده میتواند برای توصیف وضعیت فیزیولوژیک غشاءهای سلولی مهم باشد. این مشاهدات به وسیله ی مشاهدات تفکیک فاز مقیاس وسیع وزیک.ل های مشتق شده از غشاء پلاسمایی که برخی از پروتیین ها و لیپیدهای غشاء را دارد ولی فاقد ارتباط با کورتکس سلول است حمایت می شود. این قضیه نشان میدهد که در سلول های سالم ، تفکیک در مقیاس وسیع به وسیله ی کورتکس ممانعت میشود. در راستای این پیش بینی ها ،چندین مطالعه ی گزارش شده در مورد ناهمگنی های غشاء و رفت های لیپیدی به این نتیجه رسید که دپلیمریزاسیون اکتین منجر به ایجاد غشاء همگن در دمای فیزیولوژیک می شود.
علاوه بر این، کورتکس به طور پیوسته با دپلیمریزاسیون اکتین و فیبرهای میکروتوبولی و حرکات مبتنی بر موتور پروتیین ها بازآرایی می شود. Satyajit Mayor اخیرا مدلی را پیشنهاد کرده است که نقش رشته ی کوتاه اکتین متحرک برای ایجاد دومین های لیپیدی trans-leaflet را تعیین می کند. رشته های کوتاه اکتین که با پروتیین-های آداپتور به لیپید فسفاتیدیل سرین حاوی زنجیره های آسیل بلند و اشباع متصل می شود میتواند باعث القای کلاسترهای پروتیین لنگرشده با GPI بر روی لایه ی خارجی غشاء پلاسمایی شود.

تشکیل دومین های پیام رسانی
در طول پیام رسانی سلولی اطلاعات باید در طول غشاء انتقال داده شود تا پاسخ سلولی ایجاد گردد. ینکه چگونه پیام هایی از یک گیرنده ی واحد با هم ترکیب می شوند تا تصمیم های سلولی کلی ایجاد کنند هنوز کاملا درک نشده است. مثال هایی از فرایندهای پیام رسانی که به خوبی مطالعه شذه اند نشان میدهد که مراحل تکثیر برای ترجمه ی اتفاقات فعال سازی یک گیرنده ی واحد به تنظیمات رونویسی لازم هستند. با توجه پیشرفتهای فسفوپروتئومیکس، این موضوع در حال روشن شدن است که دیدگاه قدیمی که با شمای ساده ای از واکنش های خطی آبشار پیام رسانی را توصیف می کرد باید با مدل های متغییر جایگزین شود که در آنها تصمیم گیری ها نتیجه-ی میانکنش های پیچیده ای در شبکه های در هم تنیده است. علاوه بر این ، در سال های اخیر، روشن شده است که بسیاری از فرایند های پایین دست در آبشار پیام رسانی بعد از فعال سازی گیرنده در حقیقت به طور مستقیم در محل فعال سازی گیرنده جایگیری می کند. این کار از طریق تشکیل کلاسترهای پیام رسانی به دست میآید که حاوی گیرنده های فعال شده ی چندگانه و مولکول های داربستی است که به صورت گذرا به خدمت گرفته می شود و کینازها و سایر پروتیین های پیام رسانی باهم ترکیب می کند. کلاستر کل با بازآرایی اکتین-کورتکس پایدار شده و در نهایت با اندوسیتوزیس غیرفعال می گردد. برایی بردن به اینکه کدام مکانیسم در حقیقت تشکیل و پایان این کلاسترهای پیام رسانی را به پیش می برد باید به اصول سازماندهی غشاء و میانکنش آن با کورتکس برگشت.
بسیاری از مکانیسم های سازماندهی غشاء که در پاراگراف های قبلی معرفی شدند در تشکیل دومین های پیام رسانی دخیل هستند. از میان انواع مخالف گیرنده های قرار گرفته در غشاء پلاسمایی ، برخی از گیرنده ها ممکن است به صورت واحدهای مستقل عمل کنند مانند کانال های یونی ولتاژی، و برخی از گیرنده های جور شده با پروتیین های G. با این وجود برخی از گیرنده ها از جمله کینازهای تیروزین، نیازمند دیمریزاسیون القا شده با لیگاند برای انتقال پیام هستند. به نظر می رسد که دیمریزاسیون و مرحله ی فسفریلاسیون بعد از آن تحت تاثیر محیط موضعی غشاء قرار می گیرد. گیرنده های متصل به GPI ،که تنها به لایه ی خارجی غشاء متصل هستند به نظر میرسد که با کلاستر کردن و تشکل رفت های لیپیدی پیام رسانی می کنند که کلاستر را از طریق جفت کردن دولایه از لایه ی خارجی به لایه ی اخلی منتقل می کند.
در کل، کلاستر شدن گیرنده ی فعال شده راهی را برای بهینه کردن پیام رسانی به نیازهای خاص است: ۱) پیام رسانی تعاونی گیرنده های آشفته را به یک سیستم متمرکز تبدیل می کنند. II) تصال پی در پی یک لیگاند ضعیف به یک دسته از گیرنده ها باعث تکثیر و افزایش حساسیت می شود III) کلاستر شدن گذرا امکان سوئیچینگ بین پیام های موضعی و پوشش فضای بیشتر را فراهم می کند. عملکردهای ویژه اندازه، دینامیک و سازماندهی کلاسترها را تکامل بخشیده است. مدل سازی نشان داد که کلاستر ۴ تا ۸ پروتیین تعاونی به صورت بهینه یک سیگنال را با تمرکز بالا با گیرنده های آشفته از عرض غشاء و با حداقل انرژی فعال سازی عبور میدهند. کلاستر پروتیین های CD59 لنگر شده به GPI با جمع شدن ۳ تا ۹ پروتیین CD59 لنگر شده به GPI یک کلاستر واحد را تشکیل میدهند در حالیکه کلاسترهای GTPase Ras دارای حدودا ۶ مولکول هستند. کلاسترهای کوچک برای افزایش تمرکز مناسب تر هستند زیرا ، جمع شدن و باز شدن سریع امکان انتشار سریع برای پوشش فضایی گسترده را فراهم می کند.
همانطور که در بالا بحث شد، تغییرات کوچک در ماینکنش های بین مولکولی به راحتی منجر به تفکیک موضعی اجزاء غشاء و تشکیل نانودومین ها می شود. برای تشکیل نانودومین های پیام رسانی گذرا ، برخی از ویژگی ها مولکول های پیام رسان ممکن است با رویداد پیام رسانی مدوله شود. برای مثال شیب دومین های گذرنده از عرض غشاء برای برخی از کانال های یونی و گیرنده در طی فعال سازی تغییر میکند که نشان میدهد که آنها اکنون ضخامت غشایی متفاوتی را ترجیح میدهند. همچنین ، سایر فرایندهای فعال سازی مانند فسفریلاسیون یا پلیمریزاسیون، بار یا سطح آبگریزی پروتین های غشاء را تغییر میدهند و به این ترتیب تمایل آنها به محیط های موضعی خاص را تحت تاثیر قرار می دهند. این مکانیسم ها می تواند شروع تشکیل کلاسترهایگیرنده های فعال شده را به پیش ببرد. علاوه بر این پلیمریزاسیون فعال با مصرف انرژی و کینتیک های واکنش موضوع مطالعات اخیر بوده است. همکاری بین گروه های Ron Vale و Michael Rosen اخیرا نشان داده است که چگونه فسفریلاسیون گیرنده ی سلول-T با پروتیین های پایین دست شناسایی شده و با کمک آداپتورهای مالتی والانت و پروتیین های داربستی و اسکلت سلولی اکتین به کلاستر پیام رسان تبدیل می شود. داربست کننده ها و اداپتورها به مولکول های موضعی و گذرا مانند کیناز و سایر مولکول های پیام رسان امکان منزوی شدن را می دهد. جالب توجه است که گردهمایی کلاسترهای پیام رسان با پروتیین های داربست به نظر میرسد که بر جدا سازی فاز مایع پروتیین های داربستی چندظرفیتی متکی باشند که امکان تکثیر و تشکیل محیط واکنش ویژه را فراهم کرده و از نظر فرضی بسیار شبیه به جیزی است که برای جداسازی فازها برای لیپیدها و پروتیین های درون غشاء پیشنهاد شده است. بالانر از این، جریان مولکولی ناشی از پروتیین های موتوری برای پلت فرمهای ریز پیام رسانی مانند سیناپس ایمیونولوژیکی ، و ممکن است حتی در دومین های کوچکتر هم اتفاق بیافتد.
نقش لیپیدها در تشکیل کلاسترهای پیام رسانی در لایه ی داخلی غشاء شناخته شده تر است، در اینجا کلاستری شدن بیشتر به وسیله ی میانکنش های الکترواستاتیکی بین کاتیون های دو ظرفیتی یا موتیف های پروتیینی پلی بازیک که اغلب در مجاورت بخش سیتوپلاسمی غشاء و گروهای لیپیدی دارای بار منفی یافت می شوند. پیشنهاد شده است که یون های دو ظرفیتی مانند شارش کلسیم در حین پیام رسانی میتواند این لیپیدهای باردار را گردهم آورد و لوپ های فیدبک احتمالی بوجود آورد. مراحل مختلف فسفریلاسیون PIP میتواند به وسیله ی دومین های متصل شونده به لیپید مانند دومین همولوژی Pleckstrin ، دومین های C2 و یا دومین های PDZ به طور اختصاصی سازماندهیشود که برای مثال به عنوان آداپتورهای ردیاب اختصاصی جایگاه برای وزیکول های سیناپسی در نورون یا به عنوان مدول های مختلف داربست های پیام رسانی چند ظرفیتی عمل می کنند این نانوکلاسترهای PIP2 ارتباط بین غشاء و اسکلت سلولی را قویتر کرده و به حرکت پیام از غشاء سلولی به سمت هسته کمک کند.
در سلولهای سالم ، رشد دومین، به وسیله ی پین گذاری دومین ها از طریق میانکنش ها در زیر اسکلت سلولی محدود میشود ، مگر اینکه فرایند از بازآرایی فعال اسکلت سلولی استفاده کند. به تدریج اتفاق پیام رسانی مجبور به پایان رسیدن است و نانودومین ها باید از هم جدا شوند. راه انداز این فرایند ناشناخته است و میتواند از اثرات فیدبک اتفاقات پایین دست باشد. با این وجود ، ساده ترین راه انداز میتواند اندازه ی نانو دومین و هماهنگی ان با اسکلت سلولی کورتکسی باشد. قانون متداول برای حذف کمپلکس پیام رسانی فعال شده اندوسیتوز است. که میتواند با افزایش پلیمریزاسیون اکتین بر روی نانو دومین های درحال رشد بر روی لایه ی داخلی غشاء راه بیافتد.