Buněčné adheze
Většina buněk v mnohobuněčném organismu je organizována do
kooperativních spojení – tkání a ty jsou sloučeny v různých kombinacích do
větších funkčních jednotek – orgánů.
Buňky v tkáních jsou obvykle v kontaktu s komplexní sítí sekretovaných
mimobuněčných makromolekul – mimobuněčnou matrix (ECM). Ta pomáhá
držet buňky v tkáních pohromadě a vytváří prostor, kde mohou buňky
migrovat a interagovat. V mnoha případech jsou buňky v tkáních
udržovány na místě přímými buněčnými adhezemi.
U obratlovců jsou hlavními typy tkání nervová, svalová, krevní, lymfatická,
epiteliální a spojovací.
Ve spojovacích tkáních je mnoho ECM a buňky jsou v ní volně rozptýleny.
Matrix je bohatá na vláknité polymery, zejména kolagen a je to matrix
(spíše než buňky) která nese většinu mechanického stresu. Buňky jsou
napojeny na komponenty matrix a jejich vzájemné spojení není příliš
důležité.
Buněčné spoje a adheze
2
Každá tkáň je organizovaným seskupením buněk držených pohromadě
buněčnými adhezemi, ECM nebo oběma.Tkáně jsou spojeny dohromady
v různých kombinacích a tvoří funkční jednotky – orgány
Příčný řez částí stěny střeva
3
Epiteliální tkáně
V epiteliálních tkáních jsou buňky spojeny těsně mezi sebou do
vrstev (epitelů) a ECM tvoří hlavně tenkou basální laminu, na které
leží epiteliální vrstva. Zde jsou to zejména buňky, které nesou
většinu mechanického stresu prostřednictvím silných
vnitrobuněčných proteinových vláken (složek cytoskeletonu), které
křižují cytoplasmu každou epiteliální buňku.
Pro přenos mechanického stresu z jedné buňky na druhou jsou
vlákna přímo nebo nepřímo napojena na transmembránové
proteiny v plasmatické membráně, kde se tvoří specializované spoje
mezi povrchy sousedních buněk a se spodní bazální laminou.
Epiteliální vrstvy vyplňují dutiny a volné povrchy v těle a
specializované spoje mezi buňkami umožňují těmto vrstvám tvořit
bariéry pro pohyb vody, roztoků a buněk mezi jednotlivými tělními
kompartmenty.
4
Krypty a villi. Kmenové buňky (Panethovy buňky – ochranná funkce), přechodně se
dělící buňky, diferencující se linie (Gobletovy, entero-endokrinní a absorptivní epiteliální
buňky).
Epitel tenkého střeva
5
Radtke F,Clevers H, Science 2005
6
Obnova střevní výstelky
Tlusté střevo obsahuje pouze krypty a nejsou zde Panethovy buňky
7
Mezi buňkami navzájem a buňkami a ECM se tvoří
speciální spoje (junctions) zprostředkované specifickými adhezními
molekulami na buněčném povrchu.
Adhezní interakce – interakce zprostředkované membránovými
molekulami. Na základě strukturních vlastností rozlišujeme rodinu:
•kadherinů (asi 80 typů)
•imunoglobulinů (přes 700 typů)
•integrinů
•selektinů
Slouží nejen ke spojení buněk navzájem a k jejich zakotvení v
daném kompartmentu, ale jsou spojeny s aktivací buněk, s
přenosem signálu do nitra buněk a s komplexní buněčnou odpovědí
(regulace buněčného cyklu, indukce diferenciace, apoptózy, atd.).
Adhezní interakce jsou klíčové pro zajištění aktivity imunitního
systému.
Typy vazeb
1) homofilní (homotypická) vazba – váží se stejné molekuly sousedních b.
2) heterofilní (heterotypická) vazba – váží se různé molekuly
3) receptory na povrchu buněk jsou spojeny navzájem sekretovanou
spojovací molekulou.
Mechanizmy, jimiž mohou povrchové molekuly
zprostředkovat buněčné adheze
8
Buněčné spoje, adheze a mimobuněčná matrix
(ECM)
9
Buněčné spoje (junctions) – funkční skupiny:
• „tight junctions” (TJ) – těsné spoje (epitel střeva) selektivně
propustná bariéra - udržují lokální koncentraci tekutin
• „anchoring junctions” – ukotvující spoje – mechanicky spojují buňky
a jejich cytoslekelet se sousedními buňkami nebo ECM – časté u
tkání vystavených mechanickému stresu (pokožka)
Místa připojení filament aktinu:
spoje buňka-buňka (např. adhezívní pásy u epitelů)
spoje buňka-matrix (fokální kontakty nebo adhezivní plaky)
Místa připojení intermediárních filament:
spoje buňka-buňka (desmosomy)
spoje buňka-matrix (hemidesmosomy)
• „communicating junctions”- komunikační spoje – zprostředkovávají
přenos chem. nebo el. signálů mezi interagujícími buňkami.
• „gap junctions” – mezerovitá spojení
TJ jsou vysoce dynamické struktury regulující přechod iontů a molekul
v epiteliálních a endoteliálních buňkách. Tvořeny specifickými proteiny –
okludiny, klaudiny
Těsná spojení (tight junctions – TJ) slouží v epitelech
jako bariéra difúze rozpuštěných látek
10
Úloha těsných spojení v buněčném transportu
11
Aktivátory MAP kináz, které vedou ke zrušení TJ a snížení bariérové funkce
nebo k upevnění TJ a zvýšené bariérové funkce
Aktivace signálních drah regulujících tvorbu a
funkci těsných spojení
12
Gonzáles-MariscalL.etal.,Biochim.Biophys.Acta2007
Ukotvující (anchoring) vazby (spoje)
13
Cell Adhesion Molecules (CAM)
14
Buňky uvolněné z různých tkání embrya obratlovců (jsou-li smíchány
dohromady) se znovu přednostně spojují s buňkami téže tkáně.
Tento tkáňově specifický rozeznávací proces u obratlovců je
zprostředkován zejména
● rodinou na vápníkových iontech závislých adhezivních proteinů kadherinů,
které drží buňky pohromadě homofilními interakcemi mezi
transmembránovými kadheriny přiléhajících buněk. Aby buňky držely
pohromadě, musí být kadheriny připojeny k cytoskeletonu.
● Většina živočišných buněk má také na vápníku nezávislý adhezívní
systém buňka-buňka, který zahrnuje zejména členy imunoglobulinové
nadrodiny, jako jsou neurální adhezívní molekuly (N-CAM, ICAM apod.)
Jednotlivé buněčné typy používají mnohonásobné molekulární
mechanismy pro adhezi k jiným buněčným typům nebo ECM, avšak
specifita vzájemné buněčné adheze pozorovaná v embryonálním vývoji
musí vyústit v integraci řady různých adhezívních systémů, z nichž
některé jsou spojeny se specializovanými buněčnými spojeními a jiné
ne.
15
Adherentní spoje buňka-buňka
► závislé na Ca2+
U epitelů často tvoří souvislý adhezivní pás (zonula adherens) kolem každé
interagující buňky, lokalizovaný hned pod těsnými spojením.
Homotypické mezibuněčné interakce jsou zprostředkovány
transmembránovými vazebnými glykoproteiny - kadheriny (E-k. - epitelia, N-k. nervové
buňky, P-k. - placenta a epidermis). Na cytoplazmatické straně membrány se
tvoří komplexy CAC (Cadherine Associated Complex) spojující přes vazebné proteiny
(, , - katenin, vinkulin, -aktinin) kadherinové molekuly se svazky vláken aktinu.
Desmosomy - fungují jako nýty epitelia a spojovacích tkání. Uvnitř buněk fungují
jako ukotvení pro intermediární filamenta – keratinová filamenta (epitely), desminová
filamenta (srdeční sval)
Selektiny (P-, E-, L-) – menší rodina transmembránových glykoproteinů vážících se
na cukerné zbytky na bílkovinách - přechodné vazby buněk v krevním řečišti umožňují
např. bílým krvinkám vazbu k endoteliálním b. a tak i migraci z krve do
tkání v místech zánětu.
► nezávislé na Ca2+
zprostředkované členy imunoglobulinové superrodiny – zejména na leukocytech, ale i
na endotelových, epiteliálních a dalších buňkách.
ICAM (InterCellular Cell Adhesion Molecules)
Heterotypické mezibuněčné vazby – aktivované u endoteliálních buněk, kde se váží
s integriny bílých krvinek
Schéma ukotvujícího spoje ze dvou tříd
proteinů
16
Napojení klasických kadherinů k aktinovým
filamentům
17
18
Napojení klasických kadherinů k aktinovým
filamentům Wnt signální dráha
Regulace komplexu E-
kadherin/katenin
a mechanismy degradace
beta-kateninu u epiteliálních
buněk
19
Ca2+ stabilizuje dimery E-kadherinu,
ten se váže cytoplasmatickou
doménou na další proteiny.
Beta-katenin je normálně degradován
nebo se může akumulovat při
deregulaci tohoto procesu nebo
defektivním E-kadherinu.
Pak je translokován do jádra, kde se
váže na transkripční faktor LEF/TCF
aktivující transkripci řady genů.
Katenin se rovněž může vázat na APC
protein, který spolu s dalšími proteiny
v makromolekulárním komplexu
zajišťuje na proteasomu závislou
degradaci.
Nollet F et al, Mol Cell Biol Res Commun 2:77-85, 1999
Dimerizace molekul E-cadherinu je závislá na Ca2+
20
Poruchy adheze
zprostředkované
E-kadherinem
21
mohou vést k uvolnění
buněk z tkáně.
Význam pro vznik
nádorových metastáz.
Struktura a funkce selektinů
význam pro funkci buněk imunitního systému
22
Adherentní spoje buňka mimobuněčná
matrix (ECM)
23
Specializované oblasti membrány – fokální kontakty
nebo adhezívní plaky, kde končí svazky aktinových
vláken.
• Integriny – transmembránové vazebné proteiny –
členové velké rodiny povrchových buněčných
receptorů pro matrix zprostředkovávají adhezi a
slouží jako spoj mezi matrix a svazky aktinu v
placích. Tvoří heterodimery (řetězce alfa a beta)
• Hemidesmosomy – podobné morfologicky
desmosomům, ale funkčně a chemicky odlišné –
spojují bazální povrch epiteliálních buněk s bazální
laminou.
Integriny
24
Základní receptory pro vazbu k ECM se slabou afinitou k ligandu
Alfa a beta podjednotky jsou spojeny nekovalentními vazbami
Fungují také jako přenašeče signálů – po aktivaci vazbou na matrix
aktivují různé vnitrobuněčné signální dráhy, mohou kooperovat s jinými
receptory a regulovat buněčnou proliferaci, přežívání i diferenciaci.
S cytoskeletem, kinázami a s receptory pro růstové faktory jsou integriny
propojeny adaptérovými proteiny.
Nahloučené integriny tvoří tzv. imunologické rafty.
Vznikají multimolekulové agregáty – místa fokální adheze
Bez zakotvení přes integriny buňky nemohou přežívat. Integriny aktivují
tyrosin kinázy, např. fokální adhezívní kináza (FAK - Focal Adhesion
Kinase), integrin-linked kináza (ILK) a kinázy rodiny Src.
FAK je spojena s proteiny talinem a paxilinem. Fosforylací dochází k
aktivaci systému.
Po ztrátě kontaktu s ECM dochází k tzv. anoikis (detachment - induced
apoptosis), tj. apoptóze indukované uvolněním buněk s fyziologických
vazeb.
Indukce buněčné smrti-anoikis a změny
adhezívních vlastností epiteliálních buněk
kolonu
ANOIKIS představuje typ
buněčné smrti, kterou umírají
epiteliální buňky pokud dojde k
narušení jejich kontaktu s
extracelulární matrix.
Vznik rezistence buněk k anoikis
představuje jeden z kritických
momentů v karcinogenezi (tlustého
střeva)– podpora invazivity
25
Pro indukci anoikis v podmínkách
in vitro je používán model
neadherentní kultivace buněk
ANOIKIS
Struktura subjednotek integrinového receptoru
(buněčný povrch-matrix)
26
Fokální adheze
27
Regulace mimobuněčné vazebné aktivity
integrinu zevnitř buňky
28
Desmosomy a hemidesmosomy
29
GAP JUNCTIONS – mezerovitá spojení
30
gap junctional intercellular communication (GJIC)
mezibuněčné spoje z transmembránových proteinů – konexinů
(asi 30 typů)
Krátký poločas života (několik hodin), rychlá biosyntéza a
degradace, reakce na změny fyziologických podmínek
6 molekul konexinů tvoří konexon.
Konexony sousedních buněk se spojují v kanálek překlenující
mezeru (gap) 2-4 nm propustnou jen pro malé molekuly.
Permeabilita je regulována. Otevírání a zavírání závislé např. na
pH, konc. divalentních iontů.
Aby se tvořily GJ musí buňky adherovat k podkladu a být
spojeny kadheriny.
Model gap junctions
31
Příklad členů konexinové rodiny Cx43 a Cx45
32
4x prochází membránou a
tvoří vnější smyčky a vnitřní
konce v cytoplasmě.
6 konexinů oligomerizuje
do konexonu nebo kanálu,
který má homo-, heteronebo
kombinovanou
strukturu – až 14 možností
různého uspořádání
konexonu ze 2 členů rodiny
Cx
Laird D.W. Biochem J, 394:527, 2006
Gap junctions
33
Fyziologická úloha GJIC
34
• HOMEOSTÁZA
rychlá rovnováha živin, iontů a tekutin
• ELEKTRICKÁ SPOJENÍ
slouží jako el. synapse u neuronů, buněk hladkého svalstva,
srdečních myocytů
• TKÁŇOVÁ ODPOVĚĎ NA HORMONY
druzí poslové (Ca2+, cAMP, ceramid, IP3) procházejí ze
stimulovaných buněk dále - šíření signálů v buněčných
populacích
• REGULACE EMBRYONÁLNÍHO VÝVOJE
cesta pro chemické a elektrické vývojové signály
Homologní a heterologní komunikace - mezi stejnými nebo
různými buněčnými typy
Změny v GJIC spojeny s kontrolou růstu, vývoje, diferenciace,
apoptózy a adaptivní odpovědi
Model růstové kontroly prostřednictvím gap
junctions (GJ) - Růstově stimulační signál
35
Růstově stimulační signál difunduje do sousedních buněk přes GJ a dosahuje
substimulační úrovně
K difúzi signálu nedochází u buněk postrádajících GJ a je zahájeno buněčné
dělení
Model růstové kontroly prostřednictvím gap
junctions (GJ) - Růstově inhibiční signál
36
Růstově stimulační signál difunduje do sousedních buněk přes GJ a
zabraňuje buněčnému dělení
Signál se nešíří do buněk postrádajících GJ a dochází k buněčnému dělení
37
Proteinové kinázy, které fosforylují Cx43. Kromě nich existuje řada dalších
proteinů s přímou či nepřímou vazbou na Cx.
Laird D.W. Biochem J, 394:527, 2006
38
GJ tvořené konexiny, adherentní spoje tvořené kadheriny a TJ tvořené
okludiny a klaudiny jsou u epiteliálních buněk v těsné blízkosti a sdílí
vazebné proteiny, které je napojují na aktin a mikrofilamenta. Vazebné
proteiny (beta-catenin, zonula occludens, ZO-1,-2) tak umožňují “crosstalk“
mezi třemi spojovacími komplexy a jsou řízeny některými společnými
regulačními ději.
LairdD.W.BiochemJ,394:527,2006
Extracelulární (mimobuněčná) matrix (ECM)
39
ECM může ovlivňovat tvar, přežití a proliferaci buněk. Existují reciproční interakce
mezi ECM a cytoskeletonem. Většina buněk musí být připojena k ECM, aby
mohly růst, proliferovat a přežívat – závislost na substrátu (anchorage
dependence) – zprostředkována integriny a jimi vybuzenými vnitrobuněčnými
signály.
Makromolekuly tvořící ECM jsou produkovány lokálně buňkami v matrix, které
také pomáhají její organizaci.
Ve většině spojovacích tkání jsou makromolekuly matrix sekretovány fibroblasty
(chondroblasty ve chrupavce, osteoblasty v kostech apod.)
Dvě hlavní třídy molekul tvořících matrix:
•Glykosamylglykany (GAG) – polysacharidové řetězce z opakujících se
disacharidových jednotek
většinou kovalentně vázány s proteiny – proteoglykany
4 hlavní skupiny - podle typu cukru, vazby mezi cukry a počtu a lokalizace
sulfátových skupin:
Hyaluronan, chondroitin sulfát a dermatan sulfát, heparan sulfát a keratan sulfát
•Vláknité proteiny – kolagen, elastin, fibronektin, laminin – strukturální a
adhezívní funkce
Proteolytická – antiproteolytická
rovnováha
Degradace komponent ECM
Kooperativní aktivita systému proteolytických enzymů:
• Lyzozomální proteázy (aspartyl a cystein proteázy – katepsiny)
• Serinové proteázy – plasminogen, plasminogenové aktivátory (PA)
• Metalloproteinázy
Plasminogenové aktivátory - přeměňují plasminogen na plasmin.
Plasmin degraduje různé složky ECM včetně fibrinu, fibronektinu, lamininu
atd. Plasmin také aktivuje několik typů metaloproteináz.
Rodina metaloproteináz (MMP) - asi 16 členů, většina jsou rozpustné
sekretované enzymy nebo transmembránové proteiny schopné digesce
ECM nebo komponent bazální membrány. Různé typy podle struktury a
substrátové specifity (kolagenázy, gelatinázy, stromelysiny). PA a MMPs
jsou sekretovány spolu se svými inhibitory (za normálních podmínek
nízká hladina), což zajišťuje přísnou kontrolu lokální proteolytické aktivity
a je tak zachována normální struktura tkání.
40
Tři způsoby organizace bazální laminy
41
Souhrn spojovacích a nespojovacích adhezívních
mechanizmů vazby savčích buněk navzájem a s ECM
42
Souhrn různých buněčných spojení nalezených
u epiteliálních buněk obratlovců
43