bélyegkép|Kemotaxis, monocita sejtek stimulálása A kemotaxis a taxisok egy formája; az a jelenség melyben a környezet kémiai összetevői testi és ivarsejtek, baktériumok és egyéb egysejtűek, valamint többsejtű szervezetek egyes sejtjeinek mozgását váltják ki. Baktériumok és más egysejtűek esetében fontos a tápanyagok fellelésében, megközelítésében (pl. glükóz), amikor e táplálékmolekulák növekvő koncentrációja irányában úsznak/mozognak a sejtek, illetve a mérgező anyagoktól való eltávolodás/menekülés során (pl. fenol). Soksejtű szervezetek fejlődési folyamataiban a kemotaxis meghatározó jelentőségű mind a megtermékenyítés (a spermium ezzel a mechanizmussal közelíti meg a petesejtet), mind a későbbi folyamatok (ld. sejtek, sejtcsoportok vándorlása) alatt. Állatokban a kemotaxist kivitelező és szabályozó folyamatok egyensúlyának megbomlása figyelhető meg a tumorok áttétképzése során. Pozitív a kemotaxis, ha a kemikália növekvő koncentrációgradiensének irányába történik a mozgás, negatív ha ezzel ellentétes irányú.
A kemotaxis kutatásának története
right|450px|A kemotaxis kutatásának meghatározó személyiségei
A sejtek migrációjának megfigyelését már a fénymikroszkóp felfedezésének korai időszakából eredeztethetjük (van Leeuwenhoek), a kemotaxis tudományos értékű első leírását T.W. Engelmann (1881) és W.F. Pfeffer (1884) adta baktériumokra, míg H.S. Jennings (1906) eukarióta csillósok esetében tett hasonló megfigyeléséket. A Nobel díjas I. Mecsnyikov a fagocitózis első lépésének leírójaként járult hozzá a kérdés kutatásához. Az 1930-as évekre a kemotaxis biológiai és kórtani/klinikai jelentősége széles körben elfogadottá vált. A jelenség legalapvetőbb definícióinak megfogalmazása szintén erre az időre tehető. A kemotaxis mérésére szolgáló ún. kemotaxis assay-k legfontosabb minőségi követelményeit leíró meghatározásokat az 1950-es évek során H. Harris alkotta meg. A modern sejtbiológia és biokémia forradalmának 1960-as és 1970-es évei új technikák sorát hozták, melyek segítségével a migráló sejtek és azok elmozdulásért felelős szubcelluláris elemei egyaránt jól vizsgálhatókká váltak. J. Adler úttörő munkássága fordulópontot jelentett a baktériumok kemotaxisát kiváltó és kísérő intracelluláris jeltovábbító mechanizmusok megértésében. 2006. november 3-án Dr. Dennis Bray, a Cambridge University tanára a Microsoft European Science Award kitüntetésében részesült az E. coli kemotaxisának vizsgálatai terén végzett munkája elismeréséül.http://research.microsoft.com/displayArticle.aspx?id=1572 Hozzáférés ideje: November 6, 2006http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6113522.stm Hozzáférés ideje: November 6, 2006
A kemotaxis szignalizációjának törzsfejlődése A kemotaxis egyike a legalapvetőbb sejtélettani jelenségeknek. A környezetben található és a sejt számára káros vagy kedvező hatású anyagok felismerésére képes receptorok kifejlődése már a törzsfejlődés igen korai szakaszában, az egysejtűek számára is a túlélés egyik alapfeltételét jelentette. A kemotaxis Tetrahymena pyriformis, eukarióta protozoonon végzett vizsgálati adatai és az aminosavak őslevesben történő megjelenésének sorrendje (ún. konszenzus szekvencia) között végzett összehasonlító vizsgálatok arra utalnak, hogy szoros egyezés lehetett e viszonylag egyszerű szerves molekulák kemotaktikus jellege és Földön történt megjelenésük sorrendje között. Ennek alapján a legkorábban megjelenő aminosavak kemoattraktánsok lehettek (pl. Gly, Glu, Pro), míg a legkésőbb megjelenők közé az erős kemorepellens aminosavak (pl. Tyr, Trp, Phe) tartoztak.The 'Optimal' Chemotactic Ligand - Amino acids Hozzáférés ideje: February 3, 2008
Baktériumok kemotaxisa Egyes baktériumok (pl. E. coli) mozgását a sejt felszínéből kitüremkedő számos (4-10) ostor (flagellum) teszi lehetővé. E képletek rotációra képesek és ennek iránya meghatározza a sejt mozgásformáját is: Az óramutató járásával ellentétes (CCW) rotáció a flagellumokat egy csoportba rendezi és a sejt egyenes irányú úszását okozza. Az óramutató járásával megegyező irányú rotáció (CW) a flagellumok által alkotott köteg felbomlását okozza, minden egyes flagellum más-más irányba mutat, és ezáltal a sejt egyhelyben járó, bukdácsoló mozgását okozza. Az ostor rotációjának irányát az ábra a sejten kívülről, felülről szemlélve mutatja. right|350 px|Correlation of swimming behaviour and flagellar rotation
Úszásmódok A baktériumok mozgása egyenes vonalú úszási és bukdácsoló (ún. tumbling) fázisok váltakozásából áll össze. Ha homogén környezeti feltételek között vizsgáljuk a baktérium mozgását, a véletlenszerűen váltakozó egyenes vonalú úszások és az úszás irányát megváltoztató bukdácsolások sorozatából áll. Az E. coli és a hozzá hasonló baktériumok képtelenek az úszási irány előre történő eldöntésére, mint ahogyan arra sem képesek, hogy néhány másodpercnél hosszabb, egyenes szakaszokat tegyenek meg reorientációs rotáció nélkül. Másképp fogalmazva, a baktériumok „elfelejtik” az eredeti úszási irányt. A mozgást behatároló ezen tényezőket is figyelembe véve igen nagy eredménynek tekinthető az, hogy a baktériumok képesek mozgásuk eredőjét a nagy koncentrációjú, számukra kedvező attraktáns (rendszerint táplálék) irányába fordítani, illetve képesek elkerülni a repellens hatású (rendszerint mérgező) anyagokat. A baktériumok kemotaxisukat a kémiai anyag által kialakított gradiens jelenlétében alakítják ki, illetve egész mozgásállapotuk e gradiens(ek) jelenléte határozza meg. Ha egy baktérium érzékeli, hogy mozgása megfelelő irányba történik (attraktáns felé vagy repellenstől eltávolodva) bukdácsoló fázisok közbeiktatása nélkül tartja fenn egyenes vonalú mozgását. Amennyiben rossz irányba mozog a sejt, az hamarosan bukdácsolást okoz, mely lehetővé teszi egy véletlenszerűen választott új úszási irány kiválasztását. Az E.coli és hasonló egyéb baktériumok tehát egy átmeneti érzékelés segítségével értékelik közeli életterük kedvező vagy éppen hátrányos voltát. Így lehetőségük van arra, hogy az attraktáns számukra kedvező legmagasabb koncentrációját viszonylag nagy pontossággal megtalálják (rendszerint ez az attraktáns forrása). Azonban még igen nagy koncentrációk esetén is képesek e sejtek viszonylag kis koncentrációkülönbségek érzékelésére. A repellensektől való eltávolodás során hasonló érzékenység figyelhető meg. A fentiekben leírt, „céltudatos” véletlenszerű mozgás két mozgási elem – egyenes úszás és bukdácsolás – közötti sorozatos választások eredménye. A baktérium kemotaktikus válaszai a központi idegrendszerrel rendelkező és a beérkező érző impulzusokat elemezni képes, magasabb rendűek döntéshozatali képességére emlékeztet.
A baktérium ostorának helikális felépítése a fent leírt mozgás kialakításában fontos szerepet játszik. Az ostort felépítő flagellin nevű fehérje az összes ostorral bíró baktériumban közel azonosnak mondható. A gerincesek egyik immunreceptora (TLR5) kifejezetten e konzervált protein felismerésére képes. Mint a biológia számos egyéb területéhez hasonlóan, akadnak olyan baktériumok is, melyek nem követik a fent leírt mozgási mechanizmust. Számos baktérium, mint például a Vibrio-k, a sejt egyik pólusán elhelyezkedő egyetlen ostorral mozognak. Ezek kemotaxisának módja eltérő. Más sejtek egyetlen ostora a sejtfal és a sejtmembrán közötti térben található. Ezek a baktériumok az egész sejt megcsavarása révén mozognak, ilyenkor a mozgás vonala dugóhúzószerű.
Szignáltranszdukció A jelmolekulák által kialakított koncentrációgradienseket a baktériumok több komponensű, metilcsoportok kötésére képes elemeket tartalmazó (ld. methyl accepting protein – MCP) transzmembrán receptorok segítségével érzékelik, melyek a jelmolekula típusától függően is eltérőek. E receptorok az attraktánsokat és repellenseket közvetlen vagy közvetett módon kötik. Utóbbi esetben a periplazmatikus térben elhelyezkedő, egyes jelmolekula típusonként eltérő proteinekhez kötődnek először, majd az így kialakult komplexek kapcsolódnak a receptorhoz. A receptorokon kialakuló jelek a plazmamembránon keresztül adódva jutnak a citoszolba, ahol a kemotaxis proteineknek nevezett, Che proteinek lánca aktiválódik. E Che proteinek hatnak a receptor szerkezetére is, de fő hatásuk a bukdácsoló fázisok gyakoriságának változása. right|350 px|Domain structure of chemotaxis receptor for Asp
Az ostor működésének szabályozása A receptor intracelluláris szignáltovábbító részéhez az alapaktivitási fázisban CheA és CheW proteinek kapcsolódnak. Egy külső jelmolekula receptorhoz történő kapcsolódása a receptor konzervált hisztidin komponensének autofoszforilációját eredményezi, melyet a ChA, mint hisztidin kináz végez. A következő lépésben a ChA e foszfátcsoportja átkerül két szabályozó fehérje, a CheB és CheY proteinek aszparaginsav komponensére. A ChA, mint hisztidin-kináz maga nem végez foszfátcsoport áthelyezést, hanem a CheB fehérje katalizálja a foszfátcsoport átvételét CheA-ról. A jeltovábbításnak ezt a baktériumok esetében általánosan előforduló szakaszát „két komponensű rendszernek” nevezzük. A CheY foszforilált formája az ostor bazális részénél elhelyezkedő FliM nevű kapcsoló fehérjére hatva idézi elő a sejt bukdácsoló mozgását (ld. tumbling) azáltal, hogy az ostor óramutató járásával ellentétes rotációja óramutató járásával azonos irányú forgásra vált. Egyetlen ostor rotáció irányának megváltozása az egész ostorköteg mozgására kihat, és a sejt bukdácsoló mozgását eredményezheti.
Receptor szintű szabályozás A ChA által aktivált ChB metiltranszferázként működik és a receptor citoszol felé eső részén található glutamilsavakhoz kapcsolódó metilcsoportok eltávolítása a feladata. A metiltranszferáz ChR antagonista módon hat, s éppen metilcsoportokat képes a fent említett glutamilsavakhoz kapcsolni. A receptor érzékenysége annál nagyobb, minél több metilcsoport kötődik hozzá. A rendszer környezetében lévő kémiai jelekhez való folyamatos hangolása a receptorok jelmolekula hatására bekövetkező, visszacsatoláson alapuló demetilációján át valósul meg. Ennek eredménye, hogy még igen szélsőséges koncentrációk kicsi változásai is jól érzékelhetők a baktérium számára. A fenti rendszer egyben lehetővé teszi a baktériumnak, hogy „emlékezzen” a mozgása közben éppen elhagyott koncentrációkra és sorozatosan összehasonlítva őket „megtudja”, hogy növekvő vagy csökkenő koncentrációgradiens irányában halad-e. Mindezek ellenére, maga a baktérium metilációs rendszere nem elegendő a koncentrációgradiens széles spektrumú érzékelésére, azonban a hozzá kapcsolódó szabályozó mechanizmusok, mint a receptor clustering és a receptorok közötti kölcsönhatások szintén modulálhatják a szignalizációs folyamatsort. center|450 px|Signalling pathways of E.coli
Eukarióták kemotaxisa Az eukarióta sejtek kemotaxisának mechanizmusa alapjaiban tér el a baktériumokétól, habár az egyes anyagok koncentrációgradiensének érzékelése itt is alapvető fontosságú. Méretükből adódóan a prokarióták nem képesek hatásos koncentrációgradiens érzékelésére a sejt két pólusa között, ezért folyamatos úszásukkal (egyenes vonalú és bukdácsoló mozgási fázisok váltakozása) mintegy letapogatják környezetüket, és ezt értékelik ki. A prokariótákkal ellentétben az eukarióták mérete már lehetőséget ad a koncentrációgradiens hatásos érzékelésére, amely receptoraik polarizált és dinamikusan változó eloszlásának köszönhető. E receptorok kemoattraktánsok vagy kemorepellensek általi indukciója okozza a kemotaktikus hatású anyag irányába történő, illetve attól eltávolodó migrációt.
right|350 px|Difference of gradient sensing in prokaryotes and eukaryotes