Mezera - Gap junction

Mezera
Spojení mezery mezi buňkami-en.svg
Křižovatka mezery obratlovců
Identifikátory
Pletivo D017629
TH H1.00.01.1.02024
FMA 67423
Anatomická terminologie

Spoje mezer jsou specializovaná mezibuněčná spojení mezi mnoha typy zvířecích buněk . Přímo spojují cytoplazmu dvou buněk, což umožňuje různým molekulám , iontům a elektrickým impulzům přímo procházet regulovanou bránou mezi buňkami.

Jeden spojovací kanál s mezerou se skládá ze dvou proteinových hexamerů (nebo hemichannelů) nazývaných konexony u obratlovců a innexony u bezobratlých. Hemichannel se spojuje přes mezibuněčný prostor a překlenuje mezeru mezi dvěma buňkami. Spoje mezer jsou analogické s plasmodesmata, která spojují rostlinné buňky.

Spoje mezer se vyskytují prakticky ve všech tkáních těla, s výjimkou dospělých plně vyvinutých kosterních svalů a mobilních typů buněk, jako jsou spermie nebo erytrocyty . Spoje mezer se nenacházejí v jednodušších organismech, jako jsou houby a slizové formy .

Mezerové spojení lze také nazvat nexus nebo macula communicans . Zatímco ephapse má některé podobnosti k mezeře spojení, moderní definice dva jsou různé.

Struktura

V obratlovců , mezera spojovací hemichannels jsou primárně homo- nebo hetero - hexamerů z connexin proteinů . Spojovací mezery bezobratlých obsahují proteiny z rodiny innexinů . Innexiny nemají žádnou významnou sekvenční homologii s konexiny. I když se liší v sekvenci od konexinů, innexiny jsou dostatečně podobné konexinům na to, aby uváděly, že innexiny tvoří mezerové spoje in vivo stejným způsobem jako konexiny. Nedávno charakterizovaná rodina pannexinů , o které se původně předpokládalo, že tvoří mezibuněčné kanály (s aminokyselinovou sekvencí podobnou innexinům), ve skutečnosti funguje jako jednoblohový kanál, který komunikuje s extracelulárním prostředím, a bylo prokázáno, že prochází vápníkem a ATP .

V mezerových spojích je mezibuněčný prostor mezi 2 a 4 nm a polokanály v membráně každé buňky jsou vzájemně zarovnány.

Kanálové spojovací kanály vytvořené ze dvou identických hemichannelů se nazývají homotypické, zatímco kanály s odlišnými hemichannels jsou heterotypické. Na druhé straně, hemichannely jednotného složení bílkovin se nazývají homomerní, zatímco ty s odlišnými proteiny jsou heteromerní . Složení kanálu ovlivňuje funkci kanálů s mezerou.

Než byly innexiny a konexiny dobře charakterizovány, byly geny kódující spojovací kanály konexinové mezery zařazeny do jedné ze tří skupin na základě mapování genů a podobnosti sekvencí : A, B a C (například GJA1 , GJC1 ). Geny pro konexin však nekódují přímo pro expresi mezerových spojovacích kanálů; geny mohou produkovat pouze proteiny, které tvoří spojovací kanály mezer. Oblíbený je také alternativní systém pojmenování založený na molekulové hmotnosti tohoto proteinu (například: konexin43 = GJA1, konexin30,3 = GJB4).

Úrovně organizace

  1. Hemichannelové geny (DNA) jsou přepsány do RNA, která je poté přeložena za vzniku hemichannelových proteinů.
  2. Jeden hemichannel protein má čtyři transmembránové domény
  3. 6 hemichannelových proteinů vytvoří jeden hemichannel. Když se různé hemichannelové proteiny spojí a vytvoří jeden hemichannel, nazývá se to heteromerní hemichannel.
  4. Dva polokanály, spojené dohromady přes buněčnou membránu, tvoří kanál Gap Junction.
    Když se dva identické hemichannelové proteiny spojí a vytvoří spojovací kanál Gap, nazývá se to homotypický GJ kanál. Když se spojí jeden homomerní hemichannel a jeden heteromerní hemichannel, nazývá se to heterotypický mezerový spojovací kanál. Když se spojí dva heteromerní hemichannely, nazývá se to také heterotypický kanál Gap Junction.
  5. Kanálové spoje mezer (desítky až tisíce) se shromažďují v makromolekulárním komplexu nazývaném plaketa mezerového spojení.

Vlastnosti párů polokanálů

Obrázky světelného mikroskopu nám neumožňují vidět samotné konexony, ale umožňují nám vidět fluoreskující barvivo vstříknuté do jedné buňky pohybující se do sousedních buněk, když je známo, že jsou přítomny spoje mezer

Hemichannel kanálový pár:

  1. Umožňuje přímou elektrickou komunikaci mezi buňkami, ačkoli různé podjednotky hemichanálu mohou poskytovat různé jednokanálové vodivosti od přibližně 30 pS do 500 pS.
  2. Umožňuje chemickou komunikaci mezi buňkami prostřednictvím přenosu malých druhých poslů , jako je inositol trifosfát ( IP
    3    ) a vápníku ( Ca2+
    ), přestože různé podjednotky hemichanálu mohou propůjčovat různou selektivitu pro konkrétní malé molekuly.
  3. Obecně umožňuje transmembránový pohyb molekul menších než 485 daltonů (1100 daltonů přes spoje bezobratlých mezer), ačkoli různé hemichannelové podjednotky mohou sdělovat různé velikosti pórů a různou selektivitu náboje. Velké biomolekuly, například nukleová kyselina a protein , jsou vyloučeny z cytoplazmatického přenosu mezi buňkami prostřednictvím párů hemichannelů spojujících mezery.
  4. Zajišťuje, aby molekuly a proud procházející mezerovým spojem nevnikly do mezibuněčného prostoru.

Proteinu gap junction bylo dosud připsáno pět různých funkcí :

  1. Elektrická a metabolická vazba mezi buňkami
  2. Elektrická a metabolická výměna přes polokanály
  3. Tumor supresorové geny ( Cx43 , Cx32 a Cx36 )
  4. Adhezivní funkce nezávislá na vodivém spojovacím kanálu s mezerou (nervová migrace v neokortexu)
  5. Role karboxylového terminálu v signálních cytoplazmatických drahách (Cx43)

Výskyt a distribuce

Mezery v mezerách byly pozorovány v různých zvířecích orgánech a tkáních, kde se buňky navzájem dotýkají. Od 50. do 70. let minulého století byly detekovány v rakových nervech, krysím slinivce, játrech, kůře nadledvin, nadvarlete, duodenu, svalu, Daphnia hepatic caecum , svalu Hydra , sítnici opice, králičí rohovce, rybím blastodermu , žabích embryích, králičích vaječnících, re- agregující buňky, kapsle hemocyte švábů, králičí kůže, kuřecí embrya, lidský Langerhansův ostrůvek, akusticko-vestibulární receptory snímající tlak zlaté rybky a křečka, lampiózní a tunikální srdce, krysí semenotvorné tubuly, myometrium , oční čočky a trávicí epitel hlavonožců. Od 70. let 20. století se mezery stále nacházejí téměř ve všech zvířecích buňkách, které se navzájem dotýkají. V 90. letech 20. století umožnila nová technologie, jako je konfokální mikroskopie, rychlejší průzkum velkých oblastí tkáně. Od 70. let 20. století dokonce i tkáně, u nichž se tradičně předpokládalo, že mohou mít izolované buňky, jako je kost, ukázaly, že buňky byly stále spojeny s mezerami, jakkoli napjatě. Spoje mezer se zdají být ve všech zvířecích orgánech a tkáních a bude zajímavé najít v tomto výjimky kromě buněk, které nejsou normálně v kontaktu se sousedními buňkami. Výjimkou je kosterní sval dospělých. Lze tvrdit, že pokud jsou v kosterních svalech přítomny, mohou mezerové spoje šířit kontrakce libovolným způsobem mezi buňkami tvořícími sval. Alespoň v některých případech tomu tak nemusí být, jak je ukázáno u jiných typů svalů, které mají mezerové přechody. Indikace toho, co je výsledkem redukce nebo absence mezerových spojů, může být indikována analýzou rakoviny nebo procesu stárnutí.

Funkce

Lze vidět, že spojovací mezery fungují na nejjednodušší úrovni jako přímá dráha mezi buňkami pro elektrické proudy, malé molekuly a ionty. Řízení této komunikace umožňuje komplexní následné účinky na mnohobuněčné organismy, jak je popsáno níže.

Embryonální, orgánový a tkáňový vývoj

V 80. letech 20. století byly zkoumány jemnější, ale neméně důležité role komunikace na mezerové křižovatce. Bylo zjištěno, že komunikace s mezerou může být narušena přidáním protilátek proti konexinu do embryonálních buněk. Embrya s oblastmi blokovaných mezerových spojů se nevyvinuly normálně. Mechanismus, kterým protilátky blokovaly spojovací mezery, byl nejasný, ale byly provedeny systematické studie k objasnění mechanismu. Upřesnění těchto studií ukázalo, že mezerové spoje se zdají být klíčové pro rozvoj buněčné polarity a symetrie/asymetrie vlevo/vpravo u zvířat. Zatímco se zdá, že signalizace, která určuje polohu tělesných orgánů, spoléhá na mezerové spoje, zásadnější diferenciace buněk v pozdějších fázích embryonálního vývoje. Bylo také zjištěno, že spojovací mezery jsou zodpovědné za přenos signálů potřebných k tomu, aby léky měly účinek, a naopak bylo prokázáno, že některé léky blokují kanály spojovacích mezer.

Křižovatky mezer a „efekt přihlížejícího“

Buněčná smrt

„Efekt přihlížejícího“ s konotacemi zabíjení nevinných přihlížejících je také zprostředkován mezerami. Když jsou buňky ohroženy nemocí nebo zraněním a začnou umírat, zprávy se přenášejí do sousedních buněk spojených s umírající buňkou mezerami. To může způsobit, že zemřou i jinak neovlivněné zdravé přihlížející buňky. Efekt přihlížejícího je proto důležité vzít v úvahu v nemocných buňkách, což otevřelo cestu pro další financování a rozmach výzkumu. Později byl také zkoumán efekt přihlížejícího s ohledem na buňky poškozené zářením nebo mechanickým poraněním a tedy hojením ran. Zdá se, že nemoc má také vliv na schopnost mezerových spojů plnit své role při hojení ran.

Restrukturalizace tkáně

I když existuje tendence soustředit se při nemoci na efekt přihlížejícího, kvůli možnosti terapeutických cest, existují důkazy, že v normálním vývoji tkání existuje ústřednější role. Smrt některých buněk a jejich okolní matrice může být vyžadována k tomu, aby tkáň dosáhla své konečné konfigurace, a mezerové spoje se také zdají pro tento proces zásadní. Existují také složitější studie, které se pokoušejí spojit naše chápání současných rolí mezerových spojů jak při hojení ran, tak při vývoji tkání.

Oblasti elektrické spojky

Spoje mezer elektricky a chemicky spojují buňky v celém těle většiny zvířat. Elektrická spojka může být relativně rychlá. Tkáně v této sekci mají dobře známé funkce, u nichž bylo pozorováno, že jsou koordinovány mezerovými spoji s mezibuněčnou signalizací probíhající v časových rámcích mikrosekund nebo méně.

Srdce

Spoje mezer jsou zvláště důležité v srdečním svalu : signál ke kontrakci je efektivně přenášen mezerami, což umožňuje buňkám srdečního svalu smršťovat se současně.

Neurony

Mezerové spojení umístěné v neuronech se často označuje jako elektrická synapse . Elektrická synapse byla objevena pomocí elektrických měření, než byla popsána struktura mezerového spojení. Elektrické synapse jsou přítomny v celém centrálním nervovém systému a byly studovány konkrétně v neokortexu , hippocampu , vestibulárním jádru , talamickém retikulárním jádru , lokusu coeruleus , dolním olivárním jádru , mezencefalickém jádru trojklanného nervu , ventrální tegmentální oblasti , čichové bulbě , sítnici a mícha z obratlovců .

Došlo k určitému pozorování slabé vazby neuronů na gliové buňky v lokusu coeruleus a v mozečku mezi Purkyňovými neurony a Bergmannovými gliovými buňkami . Zdá se, že astrocyty jsou spojeny mezerami, a to jak s jinými astrocyty, tak s oligodendrocyty . Mutace v genech Cx43 a Cx56.6 mezerového spojení také způsobují degeneraci bílé hmoty podobnou té, která byla pozorována u Pelizaeus -Merzbacherovy choroby a roztroušené sklerózy .

Proteiny connexinu exprimované v neuronových mezerových spojích zahrnují:

  1. m CX36
  2. mCX57
  3. m CX45

s detekovanými mRNA pro alespoň pět dalších konexinů (m Cx26 , m Cx30.2 , m Cx32 , m Cx43 , m Cx47 ), ale bez imunocytochemických důkazů pro odpovídající protein v ultrastrukturálně definovaných mezerových spojích. Tyto mRNA se zdají být down-regulovány nebo zničeny mikrointerferujícími RNA ( miRNA ), které jsou specifické pro buněčný typ a buněčnou linii.

Sítnice

Neurony v sítnici vykazují rozsáhlou vazbu, a to jak v populacích jednoho buněčného typu, tak mezi různými typy buněk.

Objev

Pojmenování

Spoje mezer byly pojmenovány podle „mezery“, která se ukázala být přítomna v těchto zvláštních spojích mezi dvěma buňkami. Se zvýšeným rozlišením transmisního elektronového mikroskopu (TEM) byly mezerové křižovatkové struktury poprvé vidět a popsány kolem roku 1953.

Prstencový průřez křižovatky v tenké části TEM. Spoje mezer jsou v tenkých sekcích TEM obvykle lineární spíše než prstencové. Má se za to, že prstencové mezerové spoje jsou výsledkem pohlcení jednou ze dvou buněk membránového plaku za vzniku váčku uvnitř buňky. Tento příklad ukazuje tři vrstvy na strukturu křižovatky. Membrána z každé buňky je tmavá čára s bělejší úzkou mezerou mezi dvěma tmavě zbarvenými membránami. V takových elektronových mikrografech se může zdát až 7 vrstev. Dvě lipidové mono-vrstvy v každé membráně mohou barvit jako 3 vrstvy plus jedna vrstva z mezery mezi nimi, podobně jako dva naskládané chlebíčky s mezerou mezi nimi

Zdálo se, že termín „spojovací mezera“ byl vytvořen asi o 16 let později kolem roku 1969. Podobná úzká pravidelná mezera nebyla prokázána v jiných mezibuněčných spojích fotografovaných v té době pomocí TEM.

Vytvořte indikátor funkce

Dobře před demonstrací „mezery“ v mezerových křižovatkách byli spatřeni na křižovatce sousedních nervových buněk. Těsná blízkost sousedních buněčných membrán na křižovatce mezer vedla vědce ke spekulacím, že hrály roli v mezibuněčné komunikaci, zejména v přenosu elektrických signálů. Bylo také prokázáno, že mezery jsou elektricky usměrňovány a označovány jako elektrická synapse . Později se zjistilo, že chemikálie lze také přepravovat mezi buňkami mezerami.

Implicitní nebo explicitní ve většině raných studií je, že oblast spoje mezery měla jinou strukturu než okolní membrány tak, že vypadala odlišně. Ukázalo se, že spojovací mezera vytváří mikroprostředí mezi dvěma buňkami v mimobuněčném prostoru neboli „mezerou“. Tato část mimobuněčného prostoru byla poněkud izolovaná od okolního prostoru a také překlenuta tím, čemu nyní říkáme konexonové páry, které tvoří ještě těsněji uzavřené mosty, které procházejí mezerou spojovací mezery mezi dvěma buňkami. Při pohledu v rovině membrány technikami zmrazeného lomu je možné distribuce spojů s vyšším rozlišením v plaku mezerového spoje.

V některých křižovatkách jsou pozorovány ostrovy bez Connexin. Pozorování bylo do značné míry bez vysvětlení, dokud Peracchia neukázala vezikuly pomocí tenkých řezů TEM, které byly systematicky spojeny s plaky spojovacích mezer. Peracchiova studie byla pravděpodobně také první studií popisující spárované konexonové struktury, které nazýval poněkud jednoduše „globule“. Studie ukazující vezikuly spojené s mezerami a navrhující obsah vezikul se mohou pohybovat přes spojovací plaky mezi dvěma buňkami byly vzácné, protože většina studií se zaměřovala spíše na konexony než na váčky. Pozdější studie využívající kombinaci mikroskopických technik potvrdila časný důkaz pravděpodobné funkce mezerových spojů v mezibuněčném přenosu vezikul. Oblasti přenosu vezikul byly spojeny s ostrovy bez konexinů v placích spojovacích mezer.

Elektrické a chemické nervové synapse

Vzhledem k rozšířenému výskytu mezerových spojů v jiných typech buněk než nervových buňkách se termín mezerové spojení začal používat obecněji než termíny jako elektrická synapse nebo nexus. Další dimenze ve vztahu mezi nervovými buňkami a spojovacími mezerami byla odhalena studiem tvorby chemické synapse a přítomnosti mezerového spojení. Sledováním vývoje nervů u pijavic s potlačenou expresí mezerového spojení bylo ukázáno, že obousměrné mezerové spojení (elektrická nervová synapse) se musí vytvořit mezi dvěma buňkami, než mohou růst, aby vytvořily jednosměrnou „chemickou nervovou synapse“. Chemická nervová synapse je synapsí, která je nejčastěji zkrácena na dvojznačnější termín „nervová synapse“.

Složení

Connexiny

Purifikace intercelulárních mezerových spojovacích plaků obohacených o protein tvořící kanál ( konexin ) ukázala protein tvořící hexagonální pole v rentgenové difrakci . Nyní bylo možné systematické studium a identifikace převládajícího proteinu mezerového spojení . Rafinované ultrastrukturální studie TEM ukázaly, že protein se vyskytoval komplementárním způsobem v obou buňkách účastnících se plaku s mezerovým spojením. Plaketa mezerového spojení je relativně velká oblast membrány pozorovaná v tenkém řezu TEM a zmrazené fraktuře (FF) viděném naplněném trans-membránovými proteiny v obou tkáních a jemněji ošetřenými preparáty gap junction. Se zjevnou schopností jednoho proteinu samotného umožnit mezibuněčnou komunikaci viděnou v mezerových spojích měl termín mezerový spoj tendenci stát se synonymem pro skupinu sestavených konexinů, i když to nebylo in vivo ukázáno. Biochemická analýza izolátů bohatých na mezerové spojení z různých tkání prokázala rodinu konexinů.

Ultrastruktura a biochemie izolovaných mezerových spojů, na které se již odkazovalo, ukázala, že konexiny jsou přednostně seskupeny v plakových mezerových spojích nebo doménách a konexiny byly nejlépe charakterizovanou složkou. Bylo poznamenáno, že organizace proteinů do polí s mezerovým spojovacím plakem může být významná. Je pravděpodobné, že tato raná práce již odrážela přítomnost více než jen konexinů v mezerách. Kombinace vznikajících polí zmrazené fraktury za účelem vidění uvnitř membrán a imunocytochemie za účelem označení buněčných složek (imunoznačení replikace s mrazovou frakturou nebo imunologické označení FRIL a tenký řez) ukázalo, že plaky s mezerovým spojením in vivo obsahovaly protein konexinu. Pozdější studie využívající imunofluorescenční mikroskopii větších oblastí tkáně objasnily diverzitu v dřívějších výsledcích. Bylo potvrzeno, že plaky s mezerou na křižovatce mají variabilní složení, které je domovem proteinů Connexon a Non-Connexin, takže moderní použití termínů „gap junction“ a „gap junction plaque“ je nezaměnitelné. Jinými slovy, běžně používaný termín „mezerový spoj“ vždy označuje strukturu, která obsahuje konexiny, zatímco plaketa mezerového spojení může také obsahovat další strukturální prvky, které ji budou definovat.

„Plaketa“ nebo „formační plaketa“

Imunofluorescenční mikroskopické video konexinů pohybujících se podél mikrotubulů na povrch buňky 2,7násobkem normální rychlosti.

Dřívější popisy „mezerových spojů“ a „konexů“ se na ně jako takové nevztahovaly a bylo použito mnoho dalších termínů. Je pravděpodobné, že „synaptické disky“ byly přesným odkazem na desky s mezerovými spoji. Zatímco podrobná struktura a funkce souvislosti byla v té době popsána omezeným způsobem, hrubá struktura „disku“ byla relativně velká a snadno viditelná různými technikami TEM. Disky umožnily výzkumníkům využívajícím TEM snadno lokalizovat konexony obsažené na disku jako záplaty in vivo a in vitro. Zdálo se, že disk nebo „plaketa“ má strukturální vlastnosti odlišné od vlastností poskytovaných samotnými konektory. Předpokládalo se, že pokud oblast membrány v plaku přenáší signály, oblast membrány bude muset být nějakým způsobem utěsněna, aby se zabránilo úniku. Pozdější studie ukázaly, že mezerové plaky jsou domovem proteinů bez konexinu, takže moderní použití termínů „gap junction“ a „gap junction plaque“ není zaměnitelné, protože oblast plaku s mezerovým spojem může obsahovat proteiny jiné než konexiny. Stejně jako konexiny ne vždy zabírají celou oblast plaku, ostatní složky popsané v literatuře mohou být pouze dlouhodobými nebo krátkodobými obyvateli.

Studie umožňuje výhled uvnitř roviny membrány mezery v průběhu procesu formování je uvedeno, že „tvorbu plaků“ vytvořené mezi dvěma buňkami před connexins pohybu. Byli částic volných oblastí při pozorování pomocí TEM FF ukazuje velmi malé nebo žádné transmembránové proteiny byly pravděpodobně přítomen. Málo se ví o tom, jaké struktury tvoří formační plak nebo jak se mění struktura formačního plaku, když se dovnitř nebo ven pohybují konexiny a další složky. Jedna z dřívějších studií tvorby spojů s malou mezerou popisuje řady částic a halo bez částic. S většími mezerami byly popsány jako plaky formace, do kterých se pohybovaly konexiny. Předpokládalo se, že spoje částicových mezer se vytvoří 4–6 hodin poté, co se objeví plaky formace. Je stále jasnější, jak mohou být konexiny transportovány do plaků pomocí tubulinu .

Formování plaku a nonkonxinová část klasického plaku s mezerovým spojem bylo pro rané výzkumníky obtížné analyzovat. V TEM FF a tenkém řezu se zdá, že je to doména lipidové membrány, která může nějakým způsobem tvořit poměrně tuhou bariéru vůči jiným lipidům a proteinům. Existují nepřímé důkazy o tom, že se určité lipidy přednostně podílejí na tvorbě plaku, ale toto nelze považovat za definitivní. Je obtížné si představit rozbití membrány pro analýzu membránových plaků bez ovlivnění jejich složení. Studiem konexinů stále v membránách byly studovány lipidy spojené s konexiny. Bylo zjištěno, že specifické konexiny mají tendenci se přednostně asociovat se specifickými fosfolipidy. Vzhledem k tomu, že plaky předcházejí konexinům, tyto výsledky stále nedávají žádnou jistotu, co je jedinečné na samotném složení plaků. Další nálezy ukazují, že se konexiny spojují s proteinovými lešeními používanými v jiném spojení, zonula occludens ZO1 . I když nám to pomáhá pochopit, jak mohou být konexiny přesunuty do plaku formace mezerového spojení, složení samotného plaku je stále poněkud útržkovité. Určitý pokrok v in vivo složení mezerového spojovacího plaku se provádí pomocí TEM FRIL.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy