기계 전도

Mechanotransduction
참고 항목: 기계화

기계 전도(Mechanomicalotrance, mechanismo + transfer)는 세포가 기계적 자극을 전기화학 활동으로 전환하는 다양한 메커니즘 중 하나이다.[1][2][3][4] 이러한 형태의 감각전도는 자기감각, 촉각,[5] 균형, 청각을 포함한 신체의 많은 감각과 생리학적 과정을 담당한다.[6][7][8] 기계전도의 기본 메커니즘은 기계적 신호를 전기적 또는 화학적 신호로 변환하는 것을 포함한다.

몇몇 생물학적 기계들

이 과정에서 기계적으로 게이트된 이온 채널은 소리, 압력 또는 움직임이 전문화된 감각 세포와 감각 뉴런의 흥분성에 변화를 일으킬 수 있게 한다.[9] 기계수용체의 자극은 기계적으로 민감한 이온 채널이 열리게 하고 세포의 막 전위를 변화시키는 전도 전류를 생성하게 한다.[10] 일반적으로 기계적 자극은 기계 전도 현장에 도달하기 전에 전달 매체에서 여과된다.[11] 기계전도에 대한 세포 반응은 가변적이며 다양한 변화와 감각을 야기한다. 관련된 보다 광범위한 문제들에는 분자 생물역학들이 포함되어 있다.

단백질과 DNA에 대한 단일 분자 생물역학 연구와 분자 모터의 기계화학 결합은 생명공학 및 생명과학의 새로운 개척자로서 분자역학의 중요한 중요성을 입증했다. 단백질 영역은 본질적으로 질서 정연한 유연한 링커 영역에 의해 연결되며, 단백질 영역 역학을 통해 장기적 알로스테리를 유도한다. 결과적으로 발생하는 동적 모드는 전체 단백질 또는 개별 영역의 정적 구조에서 일반적으로 예측할 수 없다. 그러나 그것들은 단백질의 다른 구조를 비교함으로써 추론할 수 있다(분자 운동 데이터베이스에서처럼). 광범위한 분자역학 궤적과[12] 주성분 분석에서 표본을 추출하여 제안하거나 중성자 스핀 에코 분광법에 의해 측정한 스펙트럼을[14][15] 사용하여 직접 관측할 수도 있다.[13] 현재 연구결과는 모세포의 기계전도가 복잡한 생물학적 기계라는 것을 보여준다. 기계전도는 또한 기계 작업을 하기 위해 화학 에너지를 사용하는 것을 포함한다.[16]

귀

그러한 메커니즘 중 하나는 내이에 있는 콜레아의 머리카락 세포에서 이온 채널이 열리는 것이다.

귀관의 기압 변화는 고막과 중이 오실체의 진동을 일으킨다. 이음매 체인의 끝에서, 달팽이의 타원형 창문 안에서 스테이프 발판이 움직이면 달팽이 유체 내에 압력장이 생성되어 기저막 전체에 압력차가 전달된다. 사인파 압력파는 코르티 기관의 국부적 진동을 초래한다: 고주파의 기저부 근처, 저주파의 꼭대기 부근. 따라서 콜레아는 종축을 따라 다른 위치에 복잡한 소리의 각 푸리에 성분(특정 주파수를 나타냄)의 에너지를 분배하는 '음향 프리즘'의 역할을 한다. 콜레아 내 모세포는 스칼라 베스티불리와 스칼라 틴파니 사이의 유체 압력의 차이에 의해 기저막의 위아래로 추진될 때 자극을 받는다. 이 동작은 코르티 장기의 지각막과 망막 사이에 피복 운동을 동반하기 때문에, 두 가지를 연결하는 털다발이 굴절되어 기계전기 전도를 개시한다. 기저막은 위로 몰릴 때, 모세포와 구조막 사이의 전단은 흥분 방향으로, 그들의 높은 가장자리 쪽으로 머리카락 뭉치를 꺾는다. 진동 중간 지점에서 머리 묶음은 다시 휴식 자세를 시작한다. 기저막은 아래쪽으로 이동하면 머리카락 뭉치가 억제 방향으로 움직인다.

Basilar Memple 동작은 망막과 지각막 사이에 피복 운동을 일으켜, 모발다발의 기계-감각기구를 활성화시켜 모세포에 수용체 전위를 발생시킨다.[citation needed]

따라서 음압파는 청각 시스템의 상위 부분에서 소리로 처리될 수 있는 전기 신호로 변환된다.[citation needed]

골격근

근육에 변형이 가해질 때 세포와 분자 순응의 변화는 기계력과 생화학적 신호를 연결하며, 기계 신호와 전기, 대사,[17] 호르몬 신호의 긴밀한 통합은 기계력에 특정한 반응의 양상을 위장할 수 있다.

연골

기계 게이트 채널

관절연골의 주요 기계적 기능 중 하나는 하중을 견디는 저마찰 표면의 역할을 하는 것이다. 관절 표면의 독특한 위치 때문에 관절 연골은 전단, 압축, 장력을 포함하는 다양한 정적 및 동적 힘을 경험한다. 이러한 기계적 하중은 연골외행렬(ECM)에 의해 흡수되며, 이후 연골외행렬(ECM)에 흡수되어 연골세포(동맥세포)로 전달된다.

연골은 체내 장력, 압축력, 전단력을 경험한다.

연골세포는 그들이 받는 기계적 신호를 감지하고 생화학적 신호로 변환하며, 이는 이후 아나볼릭(매트릭스 건물)과 캐터볼릭(매트릭스 분해) 공정 모두를 지시하고 중재한다. 이러한 과정에는 매트릭스 단백질(타입 II 콜라겐과 프로테오글리칸), 프로테아제, 프로테아제 억제제, 전사인자, 사이토카인, 성장인자의 합성이 포함된다.[18][19]

아나볼릭과 카타볼릭 과정 사이에 부딪히는 균형은 연골이 경험하는 하중의 종류에 의해 강한 영향을 받는다. 높은 변형률(충격 하중 중에 발생하는 것 등)은 조직 손상, 열화, 매트릭스 생산 감소 및 사멸을 야기한다.[20][21] 연장된 침대-휴식 중과 같이 장기간에 걸쳐 기계적 부하가 감소하면 매트릭스 생산 손실이 발생한다.[22] 정적 하중은 낮은 주파수(정상적인 보행 걸음걸이와 유사)에서의 진동 하중이 건강 유지와 매트릭스 합성에 이로운 것으로 나타난 반면, 생합성에[23] 해로운 것으로 나타났다.[24] 생체 내 하중 조건의 복잡성과 다른 기계적 및 생화학적 요인의 상호 작용으로 인해 최적의 하중 요법이 무엇인지 또는 하나가 존재하는지에 대한 문제는 해결되지 않은 채로 남아 있다.

대부분의 생물학적 조직과 마찬가지로 연골도 기계적인 전도가 가능하다는 연구 결과가 나왔지만, 이것이 이루어지는 정확한 메커니즘은 여전히 알려져 있지 않다. 그러나 기계수용체의 식별으로부터 시작되는 몇 가지 가설들이 존재한다.[citation needed]

기계적 신호가 감지되려면 연골세포 표면에 기계수용체가 있어야 한다. 콘드로시테 기계수용체 후보로는 스트레치 활성 이온 채널(SAC),[25] 히알루로난 수용체 CD44, 엔넥신 V(콜라겐 타입 II 수용체),[26] 통합수용체(이 중 콘드로시테스에 여러 종류가 존재한다)가 있다.

콘드로시테 표면 기계수용체에는 CD44, 부록 V 및 통합체가 포함된다. 콘드로시테 외행렬 성분은 콜라겐, 프로테오글리칸(aggrecan과 hyaluronan), 피브로넥틴, COMP를 포함한다.

통합연계 기계전도의 경로를 예로 들면서(더 잘 연구된 경로 중 하나가 됨) 연골 표면에 대한 연골 접착을 [27]중재하고 생존신호를[28] 중재하며 매트릭스 생산과 열화를 조절하는 것으로 나타났다.[29]

Integin 수용체에는 ECM 단백질(콜라겐, 피브로넥틴, 라미네인, 바이트로넥틴, 오스테오폰틴)과 결합하는 세포외 영역이 있으며 세포내 신호 분자와 상호작용하는 세포질 영역도 있다. 통합 수용체가 ECM 리간드에 결합되어 활성화되면 활성화된 사이트 주위에 추가 통합 클러스터가 생긴다. 또한 키나제(예: 초점 접착 키나아제, FAK)와 어댑터 단백질(예: 팍실린, 팍스, 탈린, 탈, 샤크)을 이 클러스터로 채용하여 초점 접착 콤플렉스(FAC)라고 한다. 이러한 FAC 분자의 활성화는 전사 인자 활성화 및 유전자 조절과 같은 세포 내 과정을 상향 조정하거나 하향 조절하여 세포 사멸 또는 분화를 초래하는 다운스트림 이벤트를 유발한다.[citation needed]

ECM 리간드에 바인딩하는 것 외에도, 통합체는 TGF-베타 계열의 성장 인자와 같은 자분비 및 파라크린 신호에도 수용된다. 연골세포는 TGF-b 수용체를 분비하고 기계적 자극에 반응하여 TGF-b 수용체를 상향 조절하는 것으로 밝혀졌다. 이 분비물은 조직 내에서 자분비 신호 증폭을 위한 메커니즘일 수 있다.[30]

통합 신호는 연골이 장전될 때 활성화되는 다중 경로의 한 예에 불과하다. 이러한 경로 내에서 발생하는 것으로 관찰된 세포내 프로세스 중에는 JNK 경로의[31] ERK1/2, p38 MAPK 및 SAPK/ERK kinase-1(SEK-1)의 인산화, cAMP 수준의 변화, 연골 ECM 함량을 조절하는 유전자의 발현 변화 등이 있다.[32]

보다 최근의 연구들은 연두구균 1차 질륨이 세포의 기계적 수용체 역할을 하며 세포외 기질에서 세포로 힘을 변환시킨다는 가설을 세웠다. 각 콘드로시테에는 하나의 실륨이 있으며, ECM 부하에 대응하여 벤딩을 통해 기계적 신호를 전송한다는 가설이 있다. 실륨의 상부 샤프트에서 주변 콜라겐 매트릭스의 앵커 역할을 하는 통합체가 확인되었다.[33] FASEB Journal에 Wann 외 연구진이 발표한 최근 연구는 연골세포의 기계 전도에 일차적인 섬유가 필요하다는 것을 처음으로 입증했다. IFT88 돌연변이 생쥐에서 파생된 연골세포는 일차 섬유를 표현하지 않았으며 야생형 세포에서[34] 볼 수 있는 프로테오글리칸 합성의 특징적인 기계 감수성을 나타내지 않았다.

과도하거나 유해한 반응을 나타내는 기계적 하중 조건은 합성 활동을 조절하고 NO, MMP와 같은 중재자를 포함하는 포타볼릭 신호 전달 폭포를 증가시키기 때문에 연골세포의 기계 전도 경로를 검사하는 것이 중요하다. 또한, Choudhury TT와 Agarwal S의 연구는 생리적 하중 조건을 나타내는 기계적 하중이 염증성 사이토카인(IL-1)에 의해 유도된 카타볼릭 매개체(iNOS, COX-2, NO, PGE2)의 생산을 차단하고 아나볼릭 활동을 복원한다는 것을 보여주었다. 따라서 생체역학과 세포 신호 전달의 상호작용을 이해하는 개선은 기계 전도 경로의 포물선 구성 요소를 차단하기 위한 치료 방법을 개발하는 데 도움이 될 것이다. 따라서 연골의 건강과 생존 가능성을 유지하기 위해서는 생체내 기계적 힘의 최적 수준에 대한 더 나은 이해가 필요하며, 연골의 분해와 질병을 예방하기 위한 예방적 기술이 고안될 수 있다.[citation needed]

참조

  1. ^ Biswas, Abhijit; Manivannan, M.; Srinivasan, Mandyam A. (2015). "Vibrotactile Sensitivity Threshold: Nonlinear Stochastic Mechanotransduction Model of the Pacinian Corpuscle". IEEE Transactions on Haptics. 8 (1): 102–113. doi:10.1109/TOH.2014.2369422. PMID 25398183. S2CID 15326972.
  2. ^ Katsumi, A.; Orr, AW; Tzima, E; Schwartz, MA (2003). "Integrins in Mechanotransduction". Journal of Biological Chemistry. 279 (13): 12001–4. doi:10.1074/jbc.R300038200. PMID 14960578.
  3. ^ Qin, Y.; Qin, Y; Liu, J; Tanswell, AK; Post, M (1996). "Mechanical Strain Induces pp60src Activation and Translocation to Cytoskeleton in Fetal Rat Lung Cells". Journal of Biological Chemistry. 271 (12): 7066–71. doi:10.1074/jbc.271.12.7066. PMID 8636139.
  4. ^ Bidhendi, Amir J; Altartouri, Bara; Gosselin, Frédérick P.; Geitmann, Anja (2019). "Mechanical stress initiates and sustains the morphogenesis of wavy leaf epidermal cells". Cell Reports. 28 (5): 1237–1250. doi:10.1016/j.celrep.2019.07.006. PMID 31365867.
  5. ^ Biswas, Abhijit; Manivannan, M.; Srinivasan, Mandyam A. (2014). "Nonlinear two stage mechanotransduction model and neural response of Pacinian Corpuscle". Biomedical Science and Engineering Center Conference (BSEC), 2014 Annual Oak Ridge National Laboratory. USA: IEEE. pp. 1–4. doi:10.1109/BSEC.2014.6867740.
  6. ^ Tavernarakis, Nektarios; Driscoll, Monica (1997). "Molecular Modeling of Mechanotransduction in the Nematode Caenorhabditis Elegans". Annual Review of Physiology. 59: 659–89. doi:10.1146/annurev.physiol.59.1.659. PMID 9074782.
  7. ^ Howard, J; Roberts, W M; Hudspeth, A J (1988). "Mechanoelectrical Transduction by Hair Cells". Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry. 17: 99–124. doi:10.1146/annurev.bb.17.060188.000531. PMID 3293600.
  8. ^ Hackney, CM; Furness, DN (1995). "Mechanotransduction in vertebrate hair cells: Structure and function of the stereociliary bundle". The American Journal of Physiology. 268 (1 Pt 1): C1–13. doi:10.1152/ajpcell.1995.268.1.C1. PMID 7840137.
  9. ^ Gillespie, Peter G.; Walker, Richard G. (2001). "Molecular basis of mechanosensory transduction". Nature. 413 (6852): 194–202. Bibcode:2001Natur.413..194G. doi:10.1038/35093011. PMID 11557988. S2CID 4388399.
  10. ^ Grigg, P (1986). "Biophysical studies of mechanoreceptors". Journal of Applied Physiology. 60 (4): 1107–15. doi:10.1152/jappl.1986.60.4.1107. PMID 2422151.
  11. ^ Biswas, Abhijit; Manivannan, M.; Srinivasan, Mandyam A. (2015). "Multiscale Layered Biomechanical Model of the Pacinian Corpuscle". IEEE Transactions on Haptics. 8 (1): 31–42. doi:10.1109/TOH.2014.2369416. PMID 25398182. S2CID 24658742.
  12. ^ Potestio R, Pontiggia F, Micheletti C (Jun 2009). "Coarse-grained description of protein internal dynamics: an optimal strategy for decomposing proteins in rigid subunits". Biophysical Journal. 96 (12): 4993–5002. Bibcode:2009BpJ....96.4993P. doi:10.1016/j.bpj.2009.03.051. PMC 2712024. PMID 19527659.
  13. ^ Baron R, Vellore NA (Jul 2012). "LSD1/CoREST is an allosteric nanoscale clamp regulated by H3-histone-tail molecular recognition". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (31): 12509–14. Bibcode:2012PNAS..10912509B. doi:10.1073/pnas.1207892109. PMC 3411975. PMID 22802671.
  14. ^ Farago B, Li J, Cornilescu G, Callaway DJ, Bu Z (Nov 2010). "Activation of nanoscale allosteric protein domain motion revealed by neutron spin echo spectroscopy". Biophysical Journal. 99 (10): 3473–3482. Bibcode:2010BpJ....99.3473F. doi:10.1016/j.bpj.2010.09.058. PMC 2980739. PMID 21081097.
  15. ^ Bu Z, Biehl R, Monkenbusch M, Richter D, Callaway DJ (Dec 2005). "Coupled protein domain motion in Taq polymerase revealed by neutron spin-echo spectroscopy". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (49): 17646–17651. Bibcode:2005PNAS..10217646B. doi:10.1073/pnas.0503388102. PMC 1345721. PMID 16306270.
  16. ^ Nakano, Tadashi; Eckford, Andrew W.; Haraguchi, Tokuko (12 September 2013). Molecular Communication. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-02308-6.
  17. ^ Burkholder, TJ (2007). "Mechanotransduction in skeletal muscle". Frontiers in Bioscience. 12: 174–91. doi:10.2741/2057. PMC 2043154. PMID 17127292.
  18. ^ Fitzgerald, J. B.; Jin, M; Dean, D; Wood, DJ; Zheng, MH; Grodzinsky, AJ (2004). "Mechanical Compression of Cartilage Explants Induces Multiple Time-dependent Gene Expression Patterns and Involves Intracellular Calcium and Cyclic AMP". Journal of Biological Chemistry. 279 (19): 19502–11. doi:10.1074/jbc.M400437200. PMID 14960571.
  19. ^ Fitzgerald, J. B.; Jin, M; Grodzinsky, AJ (2006). "Shear and Compression Differentially Regulate Clusters of Functionally Related Temporal Transcription Patterns in Cartilage Tissue". Journal of Biological Chemistry. 281 (34): 24095–103. doi:10.1074/jbc.M510858200. PMID 16782710.
  20. ^ Kurz, Bodo; Jin, Moonsoo; Patwari, Parth; Cheng, Debbie M.; Lark, Michael W.; Grodzinsky, Alan J. (2001). "Biosynthetic response and mechanical properties of articular cartilage after injurious compression". Journal of Orthopaedic Research. 19 (6): 1140–6. doi:10.1016/S0736-0266(01)00033-X. PMID 11781016.
  21. ^ Loening, A; James, IE; Levenston, ME; Badger, AM; Frank, EH; Kurz, B; Nuttall, ME; Hung, HH; Blake, SM (2000). "Injurious Mechanical Compression of Bovine Articular Cartilage Induces Chondrocyte Apoptosis". Archives of Biochemistry and Biophysics. 381 (2): 205–12. doi:10.1006/abbi.2000.1988. PMID 11032407. S2CID 21964244.
  22. ^ Behrens, Fred; Kraft, Ellen L.; Oegema, Theodore R. (1989). "Biochemical changes in articular cartilage after joint immobilization by casting or external fixation". Journal of Orthopaedic Research. 7 (3): 335–43. doi:10.1002/jor.1100070305. PMID 2703926. S2CID 34651862.
  23. ^ Torzilli, P. A.; Deng, X-H.; Ramcharan, M. (2006). "Effect of Compressive Strain on Cell Viability in Statically Loaded Articular Cartilage". Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 5 (2–3): 123–32. doi:10.1007/s10237-006-0030-5. PMID 16506016. S2CID 39216430.
  24. ^ Sah, Robert L.-Y.; Kim, Young-Jo; Doong, Joe-Yuan H.; Grodzinsky, Alan J.; Plass, Anna H. K.; Sandy, John D. (1989). "Biosynthetic response of cartilage explants to dynamic compression". Journal of Orthopaedic Research. 7 (5): 619–36. doi:10.1002/jor.1100070502. PMID 2760736. S2CID 1933220.
  25. ^ Mouw, J. K.; Imler, S. M.; Levenston, M. E. (2006). "Ion-channel Regulation of Chondrocyte Matrix Synthesis in 3D Culture Under Static and Dynamic Compression". Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 6 (1–2): 33–41. doi:10.1007/s10237-006-0034-1. PMID 16767453. S2CID 7270995.
  26. ^ Von Der Mark, K.; Mollenhauer, J. (1997). "Annexin V interactions with collagen". Cellular and Molecular Life Sciences. 53 (6): 539–45. doi:10.1007/s000180050069. PMID 9230933. S2CID 21313045.
  27. ^ Kurtis, Melissa S.; Tu, Buu P.; Gaya, Omar A.; Mollenhauer, Jürgen; Knudson, Warren; Loeser, Richard F.; Knudson, Cheryl B.; Sah, Robert L. (2001). "Mechanisms of chondrocyte adhesion to cartilage: Role of β1-integrins, CD44, and annexin V". Journal of Orthopaedic Research. 19 (6): 1122–30. doi:10.1016/S0736-0266(01)00051-1. PMID 11781014.
  28. ^ Pulai, Judit I.; Del Carlo, Marcello; Loeser, Richard F. (2002). "The ?5?1 integrin provides matrix survival signals for normal and osteoarthritic human articular chondrocytes in vitro". Arthritis & Rheumatism. 46 (6): 1528–35. doi:10.1002/art.10334. PMID 12115183.
  29. ^ Millward–Sadler, S. J.; Wright, M. O.; Davies, L. W.; Nuki, G.; Salter, D. M. (2000). "Mechanotransduction via integrins and interleukin–4 results in altered aggrecan and matrix metalloproteinase 3 gene expression in normal, but not osteoarthritic, human articular chondrocytes". Arthritis & Rheumatism. 43 (9): 2091–2099. doi:10.1002/1529-0131(200009)43:9<2091::AID-ANR21>3.0.CO;2-C. PMID 11014361.
  30. ^ Millward-Sadler, S. J.; Salter, D. M. (2004). "Integrin-Dependent Signal Cascades in Chondrocyte Mechanotransduction". Annals of Biomedical Engineering. 32 (3): 435–46. doi:10.1023/B:ABME.0000017538.72511.48. PMID 15095818. S2CID 1717838.
  31. ^ Fanning, P. J.; Emkey, G; Smith, RJ; Grodzinsky, AJ; Szasz, N; Trippel, SB (2003). "Mechanical Regulation of Mitogen-activated Protein Kinase Signaling in Articular Cartilage". Journal of Biological Chemistry. 278 (51): 50940–8. doi:10.1074/jbc.M305107200. PMID 12952976.
  32. ^ Urban, J. P. G. (1994). "The Chondrocyte: A Cell Under Pressure". Rheumatology. 33 (10): 901–908. doi:10.1093/rheumatology/33.10.901. PMID 7921748.
  33. ^ McGlashan, S. R.; Jensen, CG; Poole, CA (2006). "Localization of Extracellular Matrix Receptors on the Chondrocyte Primary Cilium". Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 54 (9): 1005–14. doi:10.1369/jhc.5A6866.2006. PMID 16651393.
  34. ^ Wann, AK; Zuo, N; Haycraft, CJ; et al. (April 2012). "Primary cilia mediate mechanotransduction through control of ATP-induced Ca2+ signaling in compressed chondrocytes". FASEB J. 26 (4): 1663–71. doi:10.1096/fj.11-193649. PMC 3316893. PMID 22223751.

추가 읽기

외부 링크