Buněčná adheze - Cell adhesion

Schéma buněčné adheze

Buněčná adheze je proces, při kterém buňky interagují a připojují se k sousedním buňkám prostřednictvím specializovaných molekul buněčného povrchu. Tento proces může nastat buď přímým kontaktem mezi buněčnými povrchy, jako jsou buněčné přechody, nebo nepřímou interakcí, kdy se buňky připojí k okolní extracelulární matrici , gelovité struktuře obsahující molekuly uvolňované buňkami do mezer mezi nimi. K adhezi buněk dochází interakcí mezi molekulami adheze buněk (CAM), transmembránovými proteiny umístěnými na povrchu buňky. Buněčná adheze spojuje buňky různými způsoby a může být zapojena do přenosu signálu, aby buňky detekovaly a reagovaly na změny v okolí. Mezi další buněčné procesy regulované buněčnou adhezí patří migrace buněk a vývoj tkáně v mnohobuněčných organismech . Změny buněčné adheze mohou narušit důležité buněčné procesy a vést k řadě onemocnění, včetně rakoviny a artritidy . Buněčná adheze je také nezbytná pro to, aby infekční organismy, jako jsou bakterie nebo viry , způsobovaly nemoci .

Obecný mechanismus

Přehledový diagram různých typů buněčných spojení přítomných v epiteliálních buňkách, včetně spojení mezi buňkou a buňkou a maticí.

CAM jsou rozděleny do čtyř hlavních rodin: integriny , superrodina imunoglobulinů (Ig) , kadheriny a selektiny . Kadheriny a IgSF jsou homofilní CAM, protože se přímo vážou na stejný typ CAM v jiné buňce, zatímco integriny a selektiny jsou heterofilní CAM, které se vážou na různé typy CAM. Každá z těchto adhezních molekul má jinou funkci a rozpoznává různé ligandy . Vady buněčné adheze jsou obvykle způsobeny defekty v expresi CAM.

V mnohobuněčných organismech vazby mezi CAM umožňují buňkám, aby se navzájem přilnuly a vytvářejí struktury nazývané buněčné spoje . Podle jejich funkcí lze spoje buněk klasifikovat jako:

  • Kotevní spoje ( adheruje spoje , desmosomy a hemidesmosomy ), které udržují buňky pohromadě a posilují kontakt mezi buňkami.
  • Okluzní křižovatky ( těsné spoje ), které utěsňují mezery mezi buňkami kontaktem buňka -buňka, což vytváří nepropustnou bariéru pro difúzi
  • Kanálové spoje ( mezerové spoje ), které spojují cytoplazmu sousedních buněk, což umožňuje transport molekul mezi buňkami
  • Spoje předávající signál, což mohou být synapse v nervovém systému

Alternativně lze spojení buněk rozdělit do dvou hlavních typů podle toho, co s buňkou interaguje: spojení buňka -buňka, zprostředkovaná hlavně kadheriny, a spojení buňka -matice, zprostředkovaná hlavně integriny.

Spojení buňka -buňka

Spojení buňka -buňka se může vyskytovat v různých formách. Při ukotvení spojů mezi buňkami, jako jsou adhezní spojení a desmosomy, jsou hlavními přítomnými CAM kadheriny. Tato rodina CAM jsou membránové proteiny, které zprostředkovávají adhezi buňka -buňka prostřednictvím svých extracelulárních domén a ke správné funkci vyžadují extracelulární ionty Ca 2+ . Kadheriny mezi sebou vytvářejí homofilní spojení, což vede k tomu, že se buňky podobného typu slepují a mohou vést k selektivní buněčné adhezi, což umožňuje buňkám obratlovců shromáždit se do organizovaných tkání. Kadheriny jsou nezbytné pro adhezi buňka-buňka a buněčnou signalizaci u mnohobuněčných zvířat a lze je rozdělit na dva typy: klasické kadheriny a neklasické kadheriny.

Dodržuje křižovatky

Adheren křižovatka ukazující homofilní vazbu mezi kadheriny a jak ji katenin spojuje s aktinovými vlákny

Spoje Adherens fungují hlavně tak, že udržují tvar tkání a drží buňky pohromadě. V adherenových spojích kadheriny mezi sousedními buňkami interagují prostřednictvím svých extracelulárních domén, které ve svých extracelulárních doménách sdílejí konzervovanou oblast citlivou na vápník. Když tato oblast přijde do kontaktu s ionty Ca 2+ , extracelulární domény kadherinů podstoupí konformační změnu z neaktivní flexibilní konformace na rigidnější konformaci, aby podstoupily homofilní vazbu. Intracelulární domény kadherinů jsou také vysoce konzervativní, protože se vážou na proteiny zvané catenins a vytvářejí komplexy catenin-cadherin. Tyto proteinové komplexy spojují kadheriny s aktinovými vlákny . Tato asociace s aktinovými vlákny je nezbytná pro adhezní spojení ke stabilizaci adheze buňka -buňka. Interakce s aktinovými vlákny mohou také podporovat shlukování kadherinů, které se podílejí na sestavení adherenových spojů. Důvodem je to, že klastry kadherinu podporují polymeraci aktinového vlákna , což zase podporuje sestavení adhezních spojení vazbou na komplexy kadherin -katenin, které se pak tvoří na křižovatce.

Desmosomy

Desmosomy jsou strukturálně podobné adherenovým spojům, ale jsou složeny z různých složek. Místo klasických kadheriny, neklasické kadheriny, jako desmogleiny a desmocollins působí jako adhezních molekul a jsou spojeny s intermediální filamenta místo aktin vláken. V desmozomech není přítomen žádný katenin, protože intracelulární domény desmozomálních kadherinů interagují s desmosomálními plakovými proteiny, které v desmozomech tvoří silné cytoplazmatické plaky a spojují kadheriny s intermediárními filamenty. Desmosomes poskytuje pevnost a odolnost vůči mechanickému namáhání vykládáním sil na pružná, ale pružná mezilehlá vlákna, což se u tuhých aktinových vláken nemůže vyskytnout. Díky tomu jsou desmozomy důležité v tkáních, které se setkávají s vysokou úrovní mechanického napětí, jako je srdeční sval a epitel , a vysvětluje, proč se v těchto typech tkání vyskytuje často.

Těsné křižovatky

Těsná spojení jsou obvykle přítomna v epiteliálních a endotelových tkáních, kde utěsňují mezery a regulují paracelulární transport rozpuštěných látek a extracelulárních tekutin v těchto tkáních, které fungují jako bariéry. Těsné spoje je tvořen transmembránových proteinů, včetně klaudiny , occludins a tricellulins, které se váží těsně vedle sebe na přilehlých membrán v homophilic způsobem. Podobně jako u kotevních spojů jsou intracelulární domény těchto proteinů s těsným spojením spojeny s lešeníovými proteiny, které udržují tyto proteiny ve shlucích a spojují je s aktinovými vlákny, aby byla zachována struktura těsného spojení. Claudiny, nezbytné pro tvorbu těsných spojů, vytvářejí paracelulární póry, které umožňují selektivní průchod specifických iontů přes těsné spoje, čímž je bariéra selektivně propustná.

Mezery

Spoje mezer zobrazující konexony a konexiny

Spoje mezer se skládají z kanálů nazývaných konexony , které se skládají z transmembránových proteinů nazývaných konexiny seskupených do skupin po šesti. Connexony ze sousedních buněk vytvářejí spojité kanály, když se dostanou do kontaktu a vzájemně se sladí. Tyto kanály umožňují transport iontů a malých molekul mezi cytoplazmou dvou sousedních buněk, kromě toho, že drží buňky pohromadě a poskytují strukturální stabilitu, jako jsou kotevní spoje nebo těsné spoje. Kanálové spojovací kanály jsou selektivně propustné pro specifické ionty v závislosti na tom, které konexiny tvoří konexony, což umožňuje zapojení mezerových spojení do buněčné signalizace regulací přenosu molekul zapojených do signálních kaskád . Kanály mohou reagovat na mnoho různých podnětů a jsou regulovány dynamicky buď rychlými mechanismy, jako je napěťová brána , nebo pomalým mechanismem, jako je změna počtu kanálů přítomných v mezerových spojích.

Adheze zprostředkovaná selektiny

Selectiny jsou rodinou specializovaných CAM zapojených do přechodné adheze buňka -buňka vyskytující se v oběhovém systému. Zprostředkovávají hlavně pohyb bílých krvinek (leukocytů) v krevním oběhu tím, že umožňují bílým krvinkám „rolovat“ se na endoteliálních buňkách prostřednictvím reverzibilních vazeb výběrů. Selektiny podléhají heterofilním vazbám, protože jeho extracelulární doména se místo jiných selektinů váže na uhlohydráty v sousedních buňkách, přičemž ke své funkci také vyžaduje ionty Ca 2+ , stejně jako kadheriny. adheze leukocytů mezi buňkami k endotelovým buňkám je důležitá pro imunitní reakce, protože leukocyty mohou tímto mechanismem cestovat do míst infekce nebo poranění. V těchto místech se aktivují integriny na válcujících se bílých krvinkách a pevně se vážou na místní endoteliální buňky, což umožňuje leukocytům zastavit migraci a pohybovat se přes endoteliální bariéru.

Adheze zprostředkovaná členy superrodiny imunoglobulinů

Superrodina imunoglobulinů (IgSF) je jednou z největších superrodin proteinů v těle a obsahuje mnoho různých CAM zapojených do různých funkcí. Tyto transmembránové proteiny mají ve svých extracelulárních doménách jednu nebo více domén podobných imunoglobulinům a procházejí vazbou nezávislou na vápníku s ligandy na sousedních buňkách. Některé IgSF CAM, jako jsou adhezivní molekuly neurálních buněk (NCAM), mohou provádět homofilní vazbu, zatímco jiné, jako jsou například mezibuněčné buněčné adhezní molekuly (ICAM) nebo vaskulární buněčné adhezní molekuly (VCAM), podléhají heterofilní vazbě s molekulami, jako jsou sacharidy nebo integriny. ICAM i VCAM jsou exprimovány na vaskulárních endoteliálních buňkách a interagují s integriny na leukocytech, aby napomáhaly přichycení leukocytů a jeho pohybu přes endoteliální bariéru.

Spojení buňka -matice

Buňky vytvářejí extracelulární matrix uvolňováním molekul do okolního extracelulárního prostoru. Buňky mají specifické CAM, které se vážou na molekuly v extracelulární matrix a spojují matrici s intracelulárním cytoskeletem . Extracelulární matrix může fungovat jako podpora při organizaci buněk do tkání a může být také zapojena do buněčné signalizace aktivací intracelulárních drah, když je navázána na CAM. Spojení mezi buňkou a matricí zprostředkovávají hlavně integriny, které se také shlukují jako kadheriny a vytvářejí pevné adheze. Integriny jsou transmembránové heterodimery tvořené různými a a P podjednotkami, obě podjednotky s různými strukturami domény. Integriny mohou signalizovat v obou směrech: signalizace naruby, intracelulární signály modifikující intracelulární domény, mohou regulovat afinitu integrinů k jejich ligandům, zatímco signalizace zvenčí, extracelulární ligandy vázající se na extracelulární domény, mohou indukovat konformační změny integrinů a iniciovat signalizaci kaskády. Extracelulární domény integrinů se mohou vázat na různé ligandy prostřednictvím heterofilní vazby, zatímco intracelulární domény mohou být buď spojeny s intermediárními filamenty, vytvářejícími hemidesmozomy, nebo s aktinovými filamenty, vytvářejícími fokální adheze .

Hemidesmozomový diagram ukazující interakci mezi integriny a lamininem, včetně toho, jak jsou integriny spojeny s keratinovými intermediárními vlákny

Hemidesmozomy

V hemidesmozomech se integriny připojují k proteinům extracelulární matrice nazývaným lamininy v bazální lamině , což je extracelulární matrix vylučovaná epiteliálními buňkami. Integriny spojují extracelulární matrix s keratinovými intermediárními vlákny, která interagují s intracelulární doménou integrinů prostřednictvím adaptorových proteinů, jako jsou plectiny a BP230. Hemidesmozomy jsou důležité pro udržení strukturální stability epiteliálních buněk tím, že je k sobě nepřímo ukotvují přes extracelulární matrix.

Ohniskové adheze

Při fokálních adhezích integriny připojují fibronektiny , složku v extracelulární matrix, k aktinovým filamentům uvnitř buněk. Adaptérové ​​proteiny, jako jsou taliny , vinculiny , a-aktininy a filaminy , tvoří komplex v intracelulární doméně integrinů a vážou se na aktinová vlákna. Tento komplex více proteinů spojující integriny s aktinovými vlákny je důležitý pro sestavení signálních komplexů, které působí jako signály pro buněčný růst a pohyblivost buněk.

Jiné organismy

Eukaryota

Rostlinné buňky k sobě přilnou a jsou propojeny plazmodesmaty , kanály, které procházejí stěnami rostlinných buněk a spojují cytoplazmy sousedních rostlinných buněk. Molekuly, které jsou buď živinami, nebo signály nezbytnými pro růst, jsou transportovány, buď pasivně, nebo selektivně, mezi rostlinné buňky prostřednictvím plasmodesmata.

Prvoci exprimují více adhezních molekul s různými specifičnostmi, které se vážou na sacharidy umístěné na povrchu jejich hostitelských buněk. adheze buňka -buňka je klíčem k tomu, aby se patogenní prvoki přichytili a vstoupili do svých hostitelských buněk. Příkladem patogenního prvoka je malarický parazit ( Plasmodium falciparum ), který k navázání na jaterní buňky používá jednu adhezivní molekulu nazývanou protein circumsporozoite a další adhezní molekulu nazývanou merozoitový povrchový protein pro vazbu červených krvinek .

Patogenní houby využívají adhezní molekuly přítomné na její buněčné stěně k připojení, buď prostřednictvím interakcí protein-protein nebo protein-sacharid, k hostitelským buňkám nebo fibronektinům v extracelulární matrici.

Prokaryoty

Prokaryoty mají na svém buněčném povrchu adhezní molekuly nazývané bakteriální adheziny , kromě použití jeho pili ( fimbriae ) a bičíků pro buněčnou adhezi. Adheziny rozpoznávají různé ligandy přítomné na povrchu hostitelské buňky a také složky v extracelulární matrici. Tyto molekuly také prostřednictvím interakce se svými ligandy kontrolují specificitu hostitele a regulují tropismus (interakce specifické pro tkáně nebo buňky).

Viry

Viry mají také adhezní molekuly potřebné pro virovou vazbu na hostitelské buňky. Například virus chřipky má na svém povrchu hemaglutinin, který je nezbytný pro rozpoznávání kyseliny sialové z cukru na molekulách povrchu hostitelské buňky. HIV má adhezní molekulu nazývanou gp120, která se váže na svůj ligand CD4 , který je exprimován na lymfocytech . Viry se také mohou zaměřit na složky buněčných spojů, aby se dostaly do hostitelských buněk, což se stane, když se virus hepatitidy C zaměří na occludiny a klaudiny v těsných spojích, aby vstoupil do jaterních buněk.

Klinické důsledky

Dysfunkce buněčné adheze nastává během metastáz rakoviny . Ztráta adheze buňka -buňka v metastatických nádorových buňkách jim umožňuje uniknout z místa původu a rozšířit se oběhovým systémem. Jedním příkladem CAM deregulovaných v rakovině jsou kadheriny, které jsou inaktivovány buď genetickými mutacemi, nebo jinými onkogenními signálními molekulami, což umožňuje rakovinným buňkám migrovat a být invazivnější. Jiné CAM, jako jsou selektiny a integriny, mohou usnadňovat metastázy zprostředkováním interakcí mezi buňkami mezi migrujícími metastatickými nádorovými buňkami v oběhovém systému s endoteliálními buňkami jiných vzdálených tkání. Vzhledem k propojení mezi CAM a rakovinovými metastázami by tyto molekuly mohly být potenciálními terapeutickými cíli pro léčbu rakoviny.

Existují také další lidská genetická onemocnění způsobená neschopností exprimovat specifické adhezivní molekuly. Příkladem je leukocytů nedostatek adheze -I (LAD-I), kde exprese p 2 je podjednotkou integrinu sníženy nebo ztraceny. Tím dochází k omezení exprese p 2 integrin heterodimerů, které jsou potřebné pro leukocyty pevně připojit k endotelu stěně v místech zánětu , aby se v boji proti infekcím. Leukocyty od pacientů s LAD-I nejsou schopné adherovat k endotelovým buňkám a pacienti vykazují závažné epizody infekce, které mohou být život ohrožující.

Autoimunitní onemocnění s názvem pemfigus je také způsobeno ztrátou buněčné adheze, jak vyplývá z protilátek zaměřených na osobu má vlastní desmosomální kadheriny, což vede k epidermální buňky uvolněnými od sebe a způsobuje kůži puchýře.

Patogenní mikroorganismy, včetně bakterií, virů a prvoků, se musí nejprve přichytit k hostitelským buňkám, aby mohly infikovat a způsobit nemoci. Anti-adhezní terapii lze použít k prevenci infekce zaměřením adhezivních molekul buď na patogen nebo na hostitelskou buňku. Kromě změny produkce adhezních molekul lze také použít kompetitivní inhibitory, které se vážou na adhezní molekuly, aby se zabránilo vazbě mezi buňkami, které působí jako antiadhezivní činidla.

Viz také

Reference

externí odkazy