Polaridade celular

Non confundir con polarización celular eléctrica.
A polaridade celular consiste nas diferenzas espaciais na forma, estrutura e funcionamento nunha célula. Case todos os tipos celulares mostran algún tipo de polaridade, o cal lles permite levar a cabo funcións especializadas. Os exemplos clásicos de células polarizadas descríbense máis abaixo, e entre eles están as células epiteliais con polaridade apical-basal, as neuronas, nas cales os sinais se propagan nunha dirección desde as dendritas aos axóns, e as células migratorias. Ademais, a polaridade celular é importante en moitos tipos de división celular asimétrica para establecer asimetrías funcionais entre as células fillas.

Moitos dos elementos moleculares clave implicados na polaridade celular están ben conservados. Por exemplo, en células de metazoos, o complexo PAR-3/PAR-6/aPKC exerce un papel fundamental na polaridade celular. Aínda que os detalles bioquímicos poden variar, algúns dos principios centrais como a retroalimentación negativa e/ou positiva entre diferentes moléculas son comúns e esenciais en moitos sistemas de polaridade coñecidos.
miniatura|Localización polarizada da proteína Staufen (con frecha) nun ovocito en estadio 9 de Drosophila (Stau:GFP, DAPI).

 Exemplos de células polarizadas 

 Células epiteliais 

As células epiteliais adhírense por medio de unións herméticas, desmosomas e unións adherentes, formando láminas de células que tapizan a superficie do corpo animal e as cavidades internas (por exemplo, o tracto dixestivo e o tracto respiratorio). Estas células teñen unha polaridade apical-basal definida pola membrana apical que dá ao exterior da superficie corporal ou ao lume de cavidades internas, e a membrana basolateral orientada cara ao lado contrario ao lume. Son membranas basolaterais ambas as membranas laterais nas que as unións célula-célula conectan as células veciñas, mentes que a membrana basal celular é aquela por onde as células se adhiren á membrana basal do tecido, a cal é unha lámina delgada de proteínas da matriz extracelular que separa a lámina epitelial das células subxacentes e tecido conectivo. As células epiteliais tamén mostran unha polaridade celular planar, na cal estruturas especializadas están orientadas dentro do plano da lámina epitelial, como se pode observar nos feixes de estereocilios do oído interno, nos cilios móbiles dos epitelios, e na motilidade celular na curación de feridas epidérmica. Algúns exemplos de polaridade planar en estruturas de tecidos epiteliais son a orientación das escamas dos peixes na mesma dirección e outro exemplo similar é a orientación das plumas das aves, da pelame dos mamíferos e as proxeccións cuticulares (pelos sensoriais etc.) nos corpos e apéndices de moscas e outros insectos. Modelos computacionais suxeriron simular como un grupo de células epiteliais poden formar diversas morfoloxías biolóxicas.

 Neuronas 
Unha neurona recibe sinais das células veciñas a través das súas extensións celulares ramificadas chamadas dendritas. A neurona despois propaga un sinal eléctrico cara a unha extensión especializada, o axón, desde o polo basal á sinapse, onde se liberan os neurotransmisores para propagar o sinal a outra neurona ou célula efectora (por exemplo, un músculo ou glándula). A polaridade da neurona facilita dese xeito o fluxo direccional de información, que é necesario para a comunicación entre neuronas e células efectoras.

 Células migratorias 

Moitos tipos de células son capaces de migrar, como os leucocitos e fibroblastos, e para que estas células se movan nunha dirección, deben ter unha parte frontal e posterior ben definidas. A parte frontal da célula é o seu bordo de avance, que se define a miúdo por un pregamento plano da membrana celular chamada lamelipodio ou por delgadas protrusións chamadas filopodios. Aquí, a polimerización da actina na dirección da migración permite que as células estendan o bordo de avance da célula para adherirse á superficie. Na parte posterior da célula, as adhesións despréndense e os feixes de microfilamentos de actina, chamados fibras de estrés, contraen e pulan o bordo de arrastre (traseiro) cara adiante na mesma dirección que o resto da célula. Sen esta polaridade anterior-posterior, as células serían incapaces de coordinar unha migración dirixida.

 Lévedos de xemación 
O lévedo de xemación Saccharomyces cerevisiae é un sistema modelo para a bioloxía dos eucariotas na cal se estudaron moitos dos elementos fundamentais do desenvolvemento da polaridade. Estes lévedos comparten moitas características da polaridade celular con outros organismos, pero presentan menos compoñentes proteicos. Nos lévedos, a polaridade fórmase nunha parte ou punto de referencia determinado herdado xeneticamente, unha área coa proteína Rsr1 no caso da xemación, ou unha área coa proteína Rax1 no caso das proxeccións de apareamento. En ausencia destes puntos de referencia da polaridade (é dicir, en mutantes con deleción de xenes), as células poden realizar unha rotura de simetría espontánea, na cal a localización do sitio de polaridade está determinado aleatoriamente. A polarización espontánea aínda pode xerar un só sitio de xemación, o cal foi explicado porque a retroalimentación positiva incrementa localmente a concentración de proteínas da polaridade na área de polaridade máis grande, mentres que diminúen as proteínas de polaridade globalmente. O regulador mestre da polaridade en lévedos é Cdc42, que é un membro da familia Rho de GTPases do homólogo de Ras eucariota, e un membro da superfamilia das GTPases pequenas, que inclúe as GTPases Rop en plantas e as pequenas GTPases de procariotas. Para que se formen os sitios de polaridade, debe estar presente Cdc42 e poder reciclar o GTP, un proceso regulado polo seu factor de intercambio de nucleótidos guanina (GEF), Cdc24, e polas súas proteínas activadoras da GTPase (GAPs). A localización de Cdc42 está ademais regulada polas pistas/sinais do ciclo celular e varias moléculas que se unen. Un estudo recente para aclarar a conexión entre o ritmo do ciclo celular e a acumulación de Cdc42 nos sitios de xemación usou a optoxenética para a localización da proteína de control utilizando luz. Durante o apareamento, estes sitios de polaridade poden recolocarse. Experimentos con modelos matemáticos acoplados con toma de imaxes indican que a relocalización está mediada pola entrega de vesículas impulsada pola actina.

 Desenvolvemento dos vertebrados 

Os corpos dos vertebrados son asimétricos ao longo de tres eixes: anterior-posterior (de cabeza a rabo), dorsal-ventral (da columna ao ventre), e esquerda-dereita (por exemplo, o noso corazón está inclinado ao lado esquerdo do corpo). Estas polaridades orixínanse no embrión en desenvolvemento por unha combinación de varios procesos: 1) división celular asimétrica, na cal dúas células fillas reciben diferentes cantidades de material xenético (por exemplo,ARNm e proteínas), 2) localización asimétrica de proteínas específicas ou ARNs dentro das células (no que a miúdo o mediador é o citoesqueleto), 3) gradientes de concentración de proteínas segregadas a través do embrión como Wnt, Nodal, e proteínas morfoxenéticas óseas (BMPs), e 4) expresión diferencial de receptores de membrana e ligandos que causan inhibición lateral, na cal a célula que expresa o receptor adopta un destino (unha determinada futura diferenciación) e as súas veciñas outro.

Ademais de definir os eixes asimétricos no organismo adulto, a polaridade celular tamén regula tanto individual coma colectivamente os movementos celulares durante o desenvolvemento embrionario, como a constrición apical, a invaxinación e a epibolia. Estes movementos son fundamentais para dar forma ao embrión e crear as estruturas complexas do corpo adulto.

 Base molecular 
A polaridade celular orixínase principalmente pola localización de proteínas específicas en áreas determinadas da membrana plasmática. Esta localización a miúdo require tanto  recrutamento de proteínas citoplasmáticas na membrana plasmática coma un transporte de vesículas polarizado ao longo dos filamentos citoesqueléticos para entregar proteínas transmmebrana desde o aparato de Golgi. Moitas das moléculas responsables de regular a polaridade celular están conservadas en distintos tipos celulares e en distintas especies de metazoos. Exemplos son o complexo PAR (Cdc42, PAR3/ASIP, PAR6, a proteína quinase C atípica), O complexo Crumbs (Crb, PALS, PATJ, Lin7), e o complexo Scribble (Scrib, Dlg, Lgl). Estes complexos de polaridade están localizados no lado citoplasmático da membrana plasmática, asimetricamente nas células. Por exemplo, nas células epiteliais, os complexos PAR e Crumbs están localizados ao longo da membrana apical, e o complexo Scribble ao longo da membrana lateral. Xunto cun grupo de moléculas de sinalización chamado GTPases Rho, estes complexos de polaridade poden regular o transporte de vesículas e tamén controlar a localización de proteínas citoplasmáticas principalmente regulando a fosforilación dos fosfolípidos fosfoinosítidos. Os fosfoinositidoes serven como sitios de atraque á membrana plasmática, e o seu estado de fosforilación determina que proteínas se unen.

 Establecemento da polaridade 
Aínda que moitas das proteínas de polaridade claves están ben conservados, existen diferentes mecanismos para establecer a polaridade celular en diferentes tipos celulares. Neste sentido, poden distinguirse dous grandes clases de células: (1) células que poden polarizarse espontaneamente, e (2) células que establecen a polaridade baseadas en pistas intrínsecas ou ambientais.

A rotura de simetría espontánea pode explicarse pola amplificación de flutuacións estocásticas de moléculas debido a cinética química non linear. A base matemática para este fenómeno biolóxico estableceuna por Alan Turing no seu artigo de 1953 'The Chemical Basis of Morphogenesis.' Mentres que Turing intentou inicialmente explicar a formación de padróns nun sistema multicelular, mecanismos similares poden aplicarse tamén á formación de padróns intracelulares. En resumo, se unha rede de polo menos dous compostos químicos que interaccionan (neste caso, proteínas) exhiben certos tipos de cinética da reacción, así como difusión diferencial, as flutuacións das concentracións estocásticas poden dar lugar á formación de padróns estables a grande escala, pasando así da escala de lonxitudes moleculares á escala celular ou mesmo de tecido.

Un excelente exemplo do segundo tipo de establecemento da polaridade, que depende de pistas extracelulares ou intracelulares, é o cigoto de C. elegans. Aquí, a inhibición mutua entre os dous conxuntos de proteínas guía o establecemento e mantemento da polaridade. Por unha parte, PAR-3, PAR-6 e aPKC (chamadas proteínas PAR anteriores) ocupan a membrana plasmática e o citoplasma antes da rotura de simetría. PAR-1, a proteína PAR-2 que contén dedo de cinc específica de C. elegans, e LGL-1 (chamadas proteínas PAR posteriores) están presentes principalmente no citoplasma. O centrosoma do macho proporciona unha pista, que rompe unha distribución na membrana inicialmente homoxénea das PARs anteriores ao inducir fluxos corticais. Pénsase que estes transportan as PARs anteriores cara a un lado da célula, permitindo que as PARs posteriores se unan a outro polo (posterior). As proteínas PARs anteriores e posteriores despois manteñen a polaridade ata a citocinese ao excluírse mutuamente das súas respectivas áreas da membrana plasmática.

 Notas 

Categoría:Bioloxía celular