Pełzająca komórka wypycha przód, budując nowe filamenty aktynowe tuż pod błoną
Ruch komórki nie wymaga mikroskopijnych nóg. W wielu pełzających komórkach przód wysuwa się dzięki szybkiemu tworzeniu rozgałęzionej sieci aktyny bezpośrednio pod błoną. Kompleks Arp2/3 inicjuje nowe filamenty od boków istniejących, a ich rosnące końce naciskają na błonę i pomagają tworzyć lamellipodium. Z tyłu sieć jest przebudowywana i recyklingowana, a adhezje do podłoża przekazują siłę na otoczenie. Samo dodawanie niewielkich podjednostek aktyny, powtarzane w tysiącach miejsc, może więc wygenerować widoczny ruch całej komórki.
Polimeryzacja może wykonywać pracę przeciw błonie
Monomery aktyny dołączają przede wszystkim do szybko rosnących końców filamentów. Gdy końcówka znajduje się bardzo blisko błony, termiczne fluktuacje chwilowo tworzą małą przestrzeń pozwalającą na wstawienie kolejnej podjednostki. Wzrost filamentu utrwala takie przesunięcie i generuje nacisk. Model ten nie wymaga, by pojedynczy filament działał jak tłok o dużej sile — tysiące polimeryzujących końców współpracują statystycznie na szerokim brzegu komórki.
Arp2/3 tworzy rozgałęzioną geometrię
Kompleks Arp2/3 po aktywacji wiąże bok istniejącego filamentu i inicjuje nową gałąź pod charakterystycznym kątem. Powstaje gęsta sieć, w której liczne końce są skierowane w stronę błony. Aktywatory takie jak białka rodziny WASP/WAVE pomagają lokalnie kontrolować nukleację. Dzięki temu komórka nie polimeryzuje aktyny równomiernie w całej cytoplazmie, lecz koncentruje generowanie siły dokładnie na planowanym froncie ruchu.
Wzrost przodu nie wystarczy bez przyczepności
Jeżeli błona przesuwałaby się względem podłoża bez punktów zaczepienia, część siły zostałaby utracona w poślizgu cytoszkieletu. Integryny i związane z nimi kompleksy adhezyjne łączą macierz zewnątrzkomórkową z aktyną. Nowe przyczepy stabilizują wysuniętą część, a siły generowane przez aktynomiozynę mogą następnie pociągnąć resztę komórki do przodu. Migracja jest zatem cyklem protruzji, adhezji, skurczu i odklejania tyłu.
Sieć musi być stale rozbierana i odnawiana
Komórka nie ma nieskończonego zapasu monomerów aktyny. Starsze fragmenty sieci za krawędzią lamellipodium są cięte i depolimeryzowane przez białka regulacyjne, a uwolnione monomery są ponownie przygotowywane do polimeryzacji. Profilina, kofilina i liczne inne czynniki pomagają sterować obiegiem podjednostek. Ruch jest możliwy dlatego, że cytoszkielet działa jako dynamiczny przepływ materiału, a nie stała konstrukcja przesuwana w całości.
Komórka wybiera kierunek za pomocą lokalnych sygnałów
Małe GTPazy rodziny Rho, szczególnie Rac1 i Cdc42, łączą receptory powierzchniowe z regulatorami aktyny. Gradient chemiczny albo sygnał z otoczenia może więc spowodować, że polimeryzacja zostanie wzmocniona po jednej stronie komórki. Powstaje polaryzacja: przód i tył mają inny zestaw aktywnych procesów. Bez takiego sterowania aktywna sieć mogłaby generować wypustki w wielu przypadkowych kierunkach bez efektywnego przemieszczania.
Różne komórki wykorzystują różne formy ruchu
Lamellipodium jest ważnym modelem, ale nie każda migracja wygląda identycznie. Komórki mogą tworzyć filopodia, bleby lub poruszać się w trójwymiarowej macierzy z inną organizacją aktyny i adhezji. Nawet ten sam typ komórki może zmieniać strategię w zależności od sztywności i geometrii środowiska. Dlatego stwierdzenie „aktywna polimeryzacja przesuwa komórkę” jest prawdziwe, lecz pełny obraz obejmuje wiele sposobów wykorzystania tej samej podstawowej maszynerii.
Nanometrowy wzrost sieci daje ruch widoczny pod mikroskopem
Każde dołączenie monomeru przesuwa koniec filamentu tylko o wielkość cząsteczki. Jednak przestrzenna organizacja tysięcy filamentów pozwala zsumować te mikroskopijne zdarzenia w ruch krawędzi komórki o mikrometry. To ważna lekcja o skali: zachowanie całej komórki nie zawsze wymaga centralnego „silnika”. Może wyłonić się z wielu lokalnych procesów samoorganizujących się pod kontrolą sygnałów.
Siła generowana przez polimeryzację aktyny jest silnie zależna od geometrii sieci. Jeśli filamenty rosną zbyt równolegle do błony, ich wydłużanie nie wypycha jej efektywnie. Rozgałęziona struktura tworzona przez Arp2/3 utrzymuje wiele końców pod kątami korzystnymi dla protruzji. Białka capujące zatrzymują wzrost części filamentów, dzięki czemu monomery są kierowane do innych aktywnych końców, a kofilina tnie starsze odcinki i przyspiesza ich recykling. Komórka reguluje więc nie tylko ilość aktyny, lecz cały rozkład długości i orientacji filamentów. W trójwymiarowych tkankach znaczenie mają także proteazy macierzy i deformowalność jądra, które bywa największym obiektem przechodzącym przez ciasną przestrzeń. Migracja komórki nowotworowej, neutrofila czy fibroblastu nie jest identycznym procesem, mimo wspólnego cytoszkieletu. Dodatkowo przepływ aktyny może występować nawet wtedy, gdy krawędź nie przesuwa się do przodu — jeśli sprzężenie z podłożem jest słabe, sieć cofa się względem błony jak bieżnia pod nogami. Efektywny ruch wymaga więc prawidłowego „sprzęgła” między polimeryzacją, adhezją i skurczem.