Tunnelerende nanotuber

Tunnelerende nanotuber (TNT) er utløpere som strekker seg fra cellens plasmamembran(1-3), og som gjør det mulig for ulike celler å være i kontakt med hverandre over avstander opptil 100 mikrometer(1-3). En skiller mellom to strukturer som begge har blitt kalt nanotuber(4); den første typen er mindre enn 0,7 mikrometer i diameter(4), inneholder F-Aktin og transporterer deler av plasmamembranen mellom celler i begge retninger(4). Den andre typen er større (>0,7 mikrometer)(4), inneholder både F-Aktin og mikrotubuli(4), og kan transportere vesikler og organeller mellom celler(4), deriblant hele mitokondrier(5). Diameteren av TNT varierer fra 50 til 200 nanometer(5). Disse strukturene kan være involverte i celle-til-celle-kommunikasjon(6), overføring av nukleinsyrer(7) samt spredning av patogener eller toksiner som HIV(3) og prioner(8). TNT kan bestå i minutters til timers varighet(9).

Historie

TNT ble først beskrevet i en artikkel i tidsskriftet Cell i 1999(10), hvor man undersøkte utviklingen av vingene til Drosophila melanogaster(10). Artikler publisert i 2004(5, 11), blant annet i tidsskriftet Science(5), beskrev strukturer som koblet sammen ulike typer immunceller og som i tillegg oppstod mellom celler i kultur(5, 11). I etterkant av disse publikasjonene har flere TNT-lignende strukturer blitt påvist(9). De har i varierende grad inneholdt F-Aktin, mikrotubuli og andre komponenter, men har hatt lignende generell oppbygning og komposisjon(9).

Sammenligning med tumor mikrotuber

Tumor mikrotuber (TM) er et eksempel på en TNT-lignende struktur, og ble for første gang beskrevet i en artikkel i tidsskriftet Nature i 2015(12). TM er så langt bare påvist i forskjellige undergrupper av hjernekreft(12), mens TNT har blitt vist i flere ulike kreftformer (5, 13-16). TM kobler i likhet med TNT celler sammen i multicellulære nettverk slik at intercellulær utveksling av signalstoffer, kjerner og organeller muliggjøres(5, 12). Celle-til-celle kommunikasjon som medieres gjennom kalsium-strømmer har blitt demonstrert for både TNT og TM(12, 17), noe som i begge tilfeller viste at cellene som inngikk i nettverket hadde en kommunikasjonsmessig fordel sammenlignet med celler som ikke var koblet sammen i nettverk(12, 17). Da både TNT og TM består av membranutløpere mellom celler har det vært forsøkt å skille dem i forhold til lengde (TNT: opptil 100 um, TM: >500 um), stabilitet over tid (TNT: minutter til timer, TM: timer til dager) og bredde (TNT: <1 um, TM: 1-2 um)(18, 19), men man kan likevel ikke utelukke at det i virkeligheten er en glidende overgang mellom disse strukturene(18).

Dannelse

To hovedmekanismer har blitt foreslått som avgjørende for dannelsen av TNT(3, 5, 20); den første involverer cytoplasmatiske utløpere som strekker seg fra en celle til den neste, slik at begge cellenes membraner fusjonerer(5). Den andre skjer ved at to celler som tidligere var koblet sammen beveger seg bort fra hverandre(3, 20), slik at det kan dannes gjenværende koblinger som binder de to cellene sammen(3, 20).

Induksjon

Dendrittiske celler og THP-1 monocytter har blitt vist å være forbundet via TNT(17), og det ble også demonstrert at cellene danner intercellulære kalsium-strømmer når de eksponeres for ulike typer stimuli(17), deriblant bakterielle agens fra E.Coli (17). TNT-mediert signalering viste et raskt spredningsmønster(17), noe som sikret kommunikasjon over lengre avstander blant målcellene(17). TNT beveget seg med en hastighet omkring 35 mikrometer per sekund like etter induksjon(17), men hastigheten avtok deretter hurtig til omkring 10-15 mikrometer per sekund(17). TNT mellom THP-1 monocytter ble vist å ha en lengde på opptil 100 mikrometer(17).

En annen mekanisme som har blitt vist å gi dannelse av TNT-lignende strukturer er kjemotaktisk bevegelse(10). Dette ble beskrevet for cytonemer som beveget seg mot en gradient av vekstfaktoren fibroblast growth factor (FGF)(10). Funnene ble her vist i modellsystemer basert på Drosophila melanogaster og på celler fra mus (10). I en annen studie ble det vist at fosfatidylserin på celleoverflaten til skadde endotelceller kunne utløse TNT-formasjon fra mesenchymale stamceller(21), noe som støtter antagelsen om at også kjemotakse er involvert i TNT-syntese(21). En annen substans som har blitt vist å kunne produsere en gradient som påvirker dannelsen av TNT er proteinet S100A4(22). Gjennom å interagere med sin antatte reseptor(22), reseptor for avanserte glykosylerte endeprodukter (RAGE)(22), ble dette proteinet vist å påvirke vekstretningen for TNT(22). I skadde celler med intakt p53-funksjon kunne forfatterne demonstrere at p53 bryter ned S100A4 via caspase-3(22). Denne nedbrytingen ga lavere konsentrasjon av S100A4 hos skadde celler sammenlignet med friske celler(22), slik at nye TNT ble ledet i retning av uskadde celler med høyere nivå av dette proteinet(22). Betydning av p53 i forbindelse med TNT har også blitt vist av andre(23), hvor man så på celler som utsettes for stress i form av hydrogenperoksid-behandling og fjerning av serum fra cellemedium(23). Stress i cellen ble vist å aktivere p53-signalveien, noe som ga oppregulering av gener som EGFR, Akt, PI3K og mTOR(23). Disse ble igjen vist å spille en rolle i dannelsen av TNT(23).

Også andre mekanismer har blitt vist å spille en rolle for dannelsen av TNT-lignende strukturer(3, 24). Celle-til-celle-kontakt har blitt vist å være avgjørende for T-celler da de dannet midlertidige nanotuber seg imellom(3). I en annen studie har Connexin-43 blitt vist å fremme dannelsen av nanotuber mellom stromale beinmargsceller og alveolære epitelceller(24).

Cellulært stress synes å være en fellesnevner ved dannelsen av TNT eller TNT-lignende strukturer i flere forskjellige studier(17, 21-23). Denne forbindelsen har blitt ytterligere styrket ved at cellulært stress indusert av rotenon og TNF-alfa synes å indusere TNT-formasjon mellom epitelceller(25). Inflammatoriske faktorer som lipopolysakkarider og IFN-gamma er andre kjente stressorer som har blitt vist å øke uttrykket av TNT(26). Dette skjedde via proteinet M-Sec som ble vist å kunne indusere dannelsen av TNT de novo fra plasmamembranen(26). Betydningen av M-Sec ble ytterligere validert av at syntesen av TNT i epitelceller ble redusert med omkring to tredjedeler da proteinet ble slått ned ved hjelp av shRNA(26).

Inhibisjon

Cytokalasiner synes å hemme dannelsen av TNT-lignende strukturer hos celler i kultur(27, 28). Cytokalasin D motvirker den normale funksjonen til F-Aktin og har blitt vist å inhibere dannelsen av TNT-lignende strukturer(27). Cytokalasin B ble funnet å hemme nydannelsen av TNT, men hadde liten effekt på TNT som allerede var dannet(28). Cytokalasin B-indusert hemming av TNT reduserte også overføringen av organeller mellom cellene(28). En annen faktor som har blitt vist å inhibere TNT-formasjon er Latrunculin B(5). Dette toksinet motvirker i likhet med Cotykalasin D den normale funksjonen til F-Aktin(5). I denne studien ble det vist at tilførsel av Latrunculin B hemmet dannelsen av TNT fullstendig(5), noe som ytterligere understreker betydningen av F-Aktin i dannelsen av TNT og TNT-lignende strukturer(5, 27). Blokkering av CD38 har blitt vist å indusere frigjøring av mitokondrier fra astrocytter(29), men har også blitt vist å hemme syntesen av TNT(15).

Rolle i mitokondrieoverføring

TNT har blitt vist å være en mekanisme for overføring av intakte mitokondrier mellom celler(5). En har mistenkt at skadet mitokondrielt DNA er den avgjørende faktoren som utløser og muliggjør overføring av intakte mitokondrier gjennom TNT(30), men graden av skade som er nødvendig for å sette i gang denne prosessen er fremdeles ukjent(30). Mitokondrier synes å bevege seg tydelig saktere i TNT sammenlignet med tempoet for mitokondrieoverføring som har blitt vist i aksoner(31). Ved måling av hastighet fant en at mitokondrier beveger seg omkring 80 nanometer per sekund i TNT(31), mens bevegelsen i aksoner skjedde med 100-1400 nanometer per sekund(31). En mulig årsak til denne hastighetsforskjellen kan være at det er en mindre diameter i TNT sammenlignet med aksoner(31), noe som igjen kan gjøre mitokondriell transport vanskeligere(31).

Betydningen av TNT i overføringen av mitokondrier har videre blitt vist i flere andre studier(13, 14, 25, 32). Å påvise redusert mitokondrieoverføring etter selektiv blokkade av TNT-formasjon har vært en vanlig metode for å demonstrere betydningen av TNT i mitokondrieoverføring mellom ulike celletyper(13, 14, 32). Miro1 er en mitokondriell Rho GTPase som har blitt vist å påvirke graden av mitokondrieoverføring fra mesenchymale stamceller til epitelceller(25). Overuttrykk av Miro1 ga i denne studien høyere mitokondrieoverføring til skadde epitelceller(25), noe som igjen ga en økt tilheling av disse cellene(25).

Lignende strukturer

Cytonemer er lange og tynne strukturer som er påvist i blant annet Drosophila melanogaster(27). De muliggjør transport av ekstracellulære signalmolekyler mot sentrale deler av cellen(27). En hovedforskjell sammenlignet med TNT er imidlertid at disse strukturene ikke nødvendigvis forbinder to ulike celler(27), og at de dermed kan ende blindt ut mot cellens omgivelser(27). En hypotese er da at disse strukturene overvåker cellens omgivelser og gjør det mulig for cellen å reagere på ytre påvirkninger(27). Innen botanikk finnes stromuler som forbinder organeller i planteceller(33), mens plasmodesmata knytter sammen planteceller via funksjonelle kanaler(34).

Referanser

1. Abounit S, Zurzolo C. Wiring through tunneling nanotubes--from electrical signals to organelle transfer. J Cell Sci. 2012;125(Pt 5):1089-98.

2. Davis DM, Sowinski S. Membrane nanotubes: dynamic long-distance connections between animal cells. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008;9(6):431-6.

3. Sowinski S, Jolly C, Berninghausen O, Purbhoo MA, Chauveau A, Kohler K, et al. Membrane nanotubes physically connect T cells over long distances presenting a novel route for HIV-1 transmission. Nat Cell Biol. 2008;10(2):211-9.

4. Onfelt B, Nedvetzki S, Benninger RK, Purbhoo MA, Sowinski S, Hume AN, et al. Structurally distinct membrane nanotubes between human macrophages support long-distance vesicular traffic or surfing of bacteria. J Immunol. 2006;177(12):8476-83.

5. Rustom A, Saffrich R, Markovic I, Walther P, Gerdes HH. Nanotubular highways for intercellular organelle transport. Science. 2004;303(5660):1007-10.

6. Onfelt B, Davis DM. Can membrane nanotubes facilitate communication between immune cells? Biochem Soc Trans. 2004;32(Pt 5):676-8.

7. Belting M, Wittrup A. Nanotubes, exosomes, and nucleic acid-binding peptides provide novel mechanisms of intercellular communication in eukaryotic cells: implications in health and disease. J Cell Biol. 2008;183(7):1187-91.

8. Gousset K, Schiff E, Langevin C, Marijanovic Z, Caputo A, Browman DT, et al. Prions hijack tunnelling nanotubes for intercellular spread. Nat Cell Biol. 2009;11(3):328-36.

9. Gurke S, Barroso JF, Gerdes HH. The art of cellular communication: tunneling nanotubes bridge the divide. Histochem Cell Biol. 2008;129(5):539-50.

10. Ramirez-Weber FA, Kornberg TB. Cytonemes: cellular processes that project to the principal signaling center in Drosophila imaginal discs. Cell. 1999;97(5):599-607.

11. Onfelt B, Nedvetzki S, Yanagi K, Davis DM. Cutting edge: Membrane nanotubes connect immune cells. J Immunol. 2004;173(3):1511-3.

12. Osswald M, Jung E, Sahm F, Solecki G, Venkataramani V, Blaes J, et al. Brain tumour cells interconnect to a functional and resistant network. Nature. 2015;528(7580):93-8.

13. Lu J, Zheng X, Li F, Yu Y, Chen Z, Liu Z, et al. Tunneling nanotubes promote intercellular mitochondria transfer followed by increased invasiveness in bladder cancer cells. Oncotarget. 2017;8(9):15539-52.

14. Pasquier J, Guerrouahen BS, Al Thawadi H, Ghiabi P, Maleki M, Abu-Kaoud N, et al. Preferential transfer of mitochondria from endothelial to cancer cells through tunneling nanotubes modulates chemoresistance. J Transl Med. 2013;11:94.

15. Marlein CR, Piddock RE, Mistry JJ, Zaitseva L, Hellmich C, Horton RH, et al. CD38-Driven Mitochondrial Trafficking Promotes Bioenergetic Plasticity in Multiple Myeloma. Cancer Res. 2019;79(9):2285-97.

16. Lou E, Fujisawa S, Morozov A, Barlas A, Romin Y, Dogan Y, et al. Tunneling nanotubes provide a unique conduit for intercellular transfer of cellular contents in human malignant pleural mesothelioma. PLoS One. 2012;7(3):e33093.

17. Watkins SC, Salter RD. Functional connectivity between immune cells mediated by tunneling nanotubules. Immunity. 2005;23(3):309-18.

18. Roehlecke C, Schmidt MHH. Tunneling Nanotubes and Tumor Microtubes in Cancer. Cancers (Basel). 2020;12(4).

19. Osswald M, Solecki G, Wick W, Winkler F. A malignant cellular network in gliomas: potential clinical implications. Neuro Oncol. 2016;18(4):479-85.

20. Sherer NM, Lehmann MJ, Jimenez-Soto LF, Horensavitz C, Pypaert M, Mothes W. Retroviruses can establish filopodial bridges for efficient cell-to-cell transmission. Nat Cell Biol. 2007;9(3):310-5.

21. Liu K, Ji K, Guo L, Wu W, Lu H, Shan P, et al. Mesenchymal stem cells rescue injured endothelial cells in an in vitro ischemia-reperfusion model via tunneling nanotube like structure-mediated mitochondrial transfer. Microvasc Res. 2014;92:10-8.

22. Sun X, Wang Y, Zhang J, Tu J, Wang XJ, Su XD, et al. Tunneling-nanotube direction determination in neurons and astrocytes. Cell Death Dis. 2012;3:e438.

23. Wang Y, Cui J, Sun X, Zhang Y. Tunneling-nanotube development in astrocytes depends on p53 activation. Cell Death Differ. 2011;18(4):732-42.

24. Islam MN, Das SR, Emin MT, Wei M, Sun L, Westphalen K, et al. Mitochondrial transfer from bone-marrow-derived stromal cells to pulmonary alveoli protects against acute lung injury. Nat Med. 2012;18(5):759-65.

25. Ahmad T, Mukherjee S, Pattnaik B, Kumar M, Singh S, Kumar M, et al. Miro1 regulates intercellular mitochondrial transport & enhances mesenchymal stem cell rescue efficacy. EMBO J. 2014;33(9):994-1010.

26. Hase K, Kimura S, Takatsu H, Ohmae M, Kawano S, Kitamura H, et al. M-Sec promotes membrane nanotube formation by interacting with Ral and the exocyst complex. Nat Cell Biol. 2009;11(12):1427-32.

27. Austefjord MW, Gerdes HH, Wang X. Tunneling nanotubes: Diversity in morphology and structure. Commun Integr Biol. 2014;7(1):e27934.

28. Bukoreshtliev NV, Wang X, Hodneland E, Gurke S, Barroso JF, Gerdes HH. Selective block of tunneling nanotube (TNT) formation inhibits intercellular organelle transfer between PC12 cells. FEBS Lett. 2009;583(9):1481-8.

29. Hayakawa K, Esposito E, Wang X, Terasaki Y, Liu Y, Xing C, et al. Transfer of mitochondria from astrocytes to neurons after stroke. Nature. 2016;535(7613):551-5.

30. Torralba D, Baixauli F, Sanchez-Madrid F. Mitochondria Know No Boundaries: Mechanisms and Functions of Intercellular Mitochondrial Transfer. Front Cell Dev Biol. 2016;4:107.

31. Wang X, Gerdes HH. Transfer of mitochondria via tunneling nanotubes rescues apoptotic PC12 cells. Cell Death Differ. 2015;22(7):1181-91.

32. Li X, Zhang Y, Yeung SC, Liang Y, Liang X, Ding Y, et al. Mitochondrial transfer of induced pluripotent stem cell-derived mesenchymal stem cells to airway epithelial cells attenuates cigarette smoke-induced damage. Am J Respir Cell Mol Biol. 2014;51(3):455-65.

33. Kohler RH, Cao J, Zipfel WR, Webb WW, Hanson MR. Exchange of protein molecules through connections between higher plant plastids. Science. 1997;276(5321):2039-42.

34. Gallagher KL, Benfey PN. Not just another hole in the wall: understanding intercellular protein trafficking. Genes Dev. 2005;19(2):189-95.