Adhezja komórkowa

Schemat adhezji komórek

Adhezja komórek to proces, w którym komórki oddziałują i przyczepiają się do sąsiednich komórek za pośrednictwem wyspecjalizowanych cząsteczek na powierzchni komórki. Proces ten może zachodzić poprzez bezpośredni kontakt między powierzchniami komórek, takimi jak połączenia komórkowe , lub interakcję pośrednią, w której komórki przyczepiają się do otaczającej macierzy zewnątrzkomórkowej , przypominającej żel struktury zawierającej cząsteczki uwalniane przez komórki w przestrzeniach między nimi. Adhezja komórek zachodzi w wyniku interakcji między cząsteczkami adhezji komórkowej (CAM), białkami transbłonowymi znajdującymi się na powierzchni komórki. Adhezja komórek łączy komórki na różne sposoby i może być zaangażowana w transdukcję sygnału dla komórek w celu wykrywania i reagowania na zmiany w otoczeniu. Inne procesy komórkowe regulowane przez adhezję komórek obejmują migrację komórek i rozwój tkanek w organizmach wielokomórkowych . Zmiany w adhezji komórek mogą zakłócać ważne procesy komórkowe i prowadzić do różnych chorób, w tym raka i zapalenia stawów . Adhezja komórek jest również niezbędna do wywoływania chorób przez organizmy zakaźne, takie jak bakterie lub wirusy .

Ogólny mechanizm

Schemat poglądowy różnych typów połączeń komórkowych obecnych w komórkach nabłonka, w tym połączeń komórka-komórka i połączeń komórka-macierz.

CAM są podzielone na cztery główne rodziny: integryny , nadrodzina immunoglobulin (Ig) , kadheryny i selektyny . Kadheryny i IgSF są homofilnymi CAM, ponieważ wiążą się bezpośrednio z tym samym typem CAM w innej komórce, podczas gdy integryny i selektyny są heterofilnymi CAM, które wiążą się z różnymi typami CAM. [ potrzebne źródło ] Każda z tych cząsteczek adhezyjnych pełni inną funkcję i rozpoznaje inne ligandy . Wady adhezji komórek są zwykle związane z defektami ekspresji CAM.

W organizmach wielokomórkowych wiązania między CAM umożliwiają komórkom przyleganie do siebie i tworzenie struktur zwanych połączeniami komórkowymi . Ze względu na pełnione funkcje połączenia komórkowe można podzielić na:

  • Połączenia kotwiące ( połączenia przylegające , desmosomy i półdesmosomy ), które utrzymują komórki razem i wzmacniają kontakt między komórkami.
  • Zatykające połączenia ( ciasne połączenia ), które uszczelniają szczeliny między komórkami poprzez kontakt komórka-komórka, tworząc nieprzepuszczalną barierę dla dyfuzji
  • Połączenia tworzące kanały ( połączenia szczelinowe ), które łączą cytoplazmę sąsiednich komórek, umożliwiając transport cząsteczek między komórkami
  • Połączenia przekazujące sygnały, które mogą być synapsami w układzie nerwowym

Alternatywnie, połączenia komórkowe można podzielić na dwa główne typy w zależności od tego, co oddziałuje z komórką: połączenia komórka-komórka, w których pośredniczą głównie kadheryny, oraz połączenia komórka-macierz, w których pośredniczą głównie integryny.

Połączenia komórka-komórka

Połączenia komórka-komórka mogą występować w różnych formach. W połączeniach kotwiących między komórkami, takich jak połączenia przylegające i desmosomy, głównymi obecnymi CAM są kadheryny. Ta rodzina CAM to białka błonowe, które pośredniczą w adhezji komórka-komórka poprzez domeny zewnątrzkomórkowe i wymagają zewnątrzkomórkowych jonów Ca 2+ do prawidłowego funkcjonowania. Kadheryny tworzą między sobą wiązanie homofilne, co powoduje sklejanie się komórek podobnego typu i może prowadzić do selektywnej adhezji komórek, umożliwiając komórkom kręgowców gromadzenie się w zorganizowane tkanki. Kadheryny są niezbędne do adhezji komórka-komórka i sygnalizacji komórkowej u zwierząt wielokomórkowych i można je podzielić na dwa typy: kadheryny klasyczne i kadheryny nieklasyczne.

Przylega do połączeń

Połączenie adherenowe pokazujące homofilne wiązanie między kadherynami i sposób, w jaki katenina łączy je z włóknami aktynowymi

Połączenia przylegające działają głównie w celu utrzymania kształtu tkanek i utrzymywania komórek razem. W połączeniach przylegających kadheryny między sąsiednimi komórkami oddziałują poprzez ich domeny zewnątrzkomórkowe, które dzielą konserwatywny region wrażliwy na wapń w swoich domenach zewnątrzkomórkowych. Gdy region ten wchodzi w kontakt z jonami Ca 2+ , zewnątrzkomórkowe domeny kadheryn przechodzą zmianę konformacyjną z konformacji nieaktywnej elastycznej do konformacji sztywniejszej w celu wiązania homofilnego. Wewnątrzkomórkowe domeny kadheryn są również wysoce konserwatywne, ponieważ wiążą się z białkami zwanymi kateninami , tworząc kompleksy kadheryna-katenina. Te kompleksy białkowe łączą kadheryny z włóknami aktynowymi . To powiązanie z włóknami aktynowymi jest niezbędne dla połączeń przylegających do stabilizacji adhezji komórka-komórka. Interakcje z włóknami aktynowymi mogą również sprzyjać gromadzeniu się kadheryn, które biorą udział w tworzeniu połączeń przylegających. Dzieje się tak, ponieważ skupiska kadheryny sprzyjają polimeryzacji włókien aktynowych , co z kolei sprzyja składaniu połączeń przylegających poprzez wiązanie się z kompleksami kadheryna-katenina, które następnie tworzą się na połączeniu. [ potrzebne źródło ]

desmosomy

Desmosomy są strukturalnie podobne do połączeń przylegających, ale składają się z różnych składników. Zamiast klasycznych kadheryn, kadheryny nieklasyczne, takie jak desmogleiny i desmokoliny , działają jako cząsteczki adhezyjne i są połączone z włóknami pośrednimi zamiast z włóknami aktynowymi. W desmosomach nie ma kateniny, ponieważ domeny wewnątrzkomórkowe kadheryn desmosomalnych oddziałują z białkami płytki desmosomalnej, które tworzą grube płytki cytoplazmatyczne w desmosomach i łączą kadheryny z włóknami pośrednimi. Desmosomy zapewniają wytrzymałość i odporność na naprężenia mechaniczne, przenosząc siły na elastyczne, ale sprężyste włókna pośrednie, co nie może wystąpić w przypadku sztywnych włókien aktynowych. To sprawia, że ​​desmosomy są ważne w tkankach, które napotykają wysoki poziom obciążenia mechanicznego, takich jak mięsień sercowy i nabłonek , i wyjaśnia, dlaczego często pojawia się w tego typu tkankach.

Ciasne połączenia

Ścisłe połączenia są zwykle obecne w tkankach nabłonka i śródbłonka , gdzie uszczelniają luki i regulują transport substancji rozpuszczonych i płynów zewnątrzkomórkowych w tych tkankach, które działają jako bariery. Połączenie ścisłe tworzą białka transbłonowe, w tym klaudyny , okludyny i triceluliny, które wiążą się ściśle ze sobą na sąsiednich błonach w sposób homofilny. Podobnie jak w przypadku połączeń kotwiących, domeny wewnątrzkomórkowe tych białek połączeń ścisłych są związane z białkami rusztowania , które utrzymują te białka w klastrach i łączą je z włóknami aktynowymi w celu utrzymania struktury połączenia ścisłego. Klaudyny, niezbędne do tworzenia połączeń ścisłych, tworzą pory okołokomórkowe, które umożliwiają selektywne przechodzenie określonych jonów przez połączenia ścisłe, czyniąc barierę selektywnie przepuszczalną.

Połączenia szczelinowe

Połączenia szczelinowe przedstawiające koneksony i koneksyny

Połączenia szczelinowe składają się z kanałów zwanych koneksonami , które składają się z białek transbłonowych zwanych koneksynami skupionych w grupach po sześć. Koneksony z sąsiednich komórek tworzą ciągłe kanały, gdy wchodzą w kontakt i wyrównują się ze sobą. Kanały te umożliwiają transport jonów i małych cząsteczek między cytoplazmą dwóch sąsiednich komórek, oprócz utrzymywania komórek razem i zapewniają stabilność strukturalną, taką jak połączenia kotwiczące lub połączenia ścisłe. Kanały połączeń szczelinowych są selektywnie przepuszczalne dla określonych jonów w zależności od tego, które koneksyny tworzą koneksony, co umożliwia zaangażowanie połączeń szczelinowych w sygnalizację komórkową poprzez regulację transferu cząsteczek zaangażowanych w kaskady sygnalizacyjne . Kanały mogą reagować na wiele różnych bodźców i są regulowane dynamicznie albo przez szybkie mechanizmy, takie jak bramkowanie napięciowe , albo przez powolny mechanizm, taki jak zmiana liczby kanałów obecnych w złączach szczelinowych.

Adhezja za pośrednictwem selektyn

Selektyny to rodzina wyspecjalizowanych CAM zaangażowanych w przejściową adhezję komórka-komórka występującą w układzie krążenia. Pośredniczą głównie w ruchu białych krwinek (leukocytów) w krwioobiegu, umożliwiając białym krwinkom „toczenie się” po komórkach śródbłonka poprzez odwracalne wiązania selekcji. Selektyny podlegają wiązaniom heterofilnym, ponieważ ich domena pozakomórkowa wiąże się z węglowodanami na sąsiednich komórkach zamiast z innymi selektynami, podczas gdy do działania wymagają jonów Ca 2+ , tak samo jak kadheryny. Adhezja komórka-komórka leukocytów do komórek śródbłonka jest ważna dla odpowiedzi immunologicznej , ponieważ leukocyty mogą przemieszczać się do miejsc infekcji lub uszkodzenia poprzez ten mechanizm. W tych miejscach integryny na toczących się krwinkach białych są aktywowane i silnie wiążą się z lokalnymi komórkami śródbłonka, umożliwiając leukocytom zatrzymanie migracji i przejście przez barierę śródbłonka.

Adhezja, w której pośredniczą członkowie nadrodziny immunoglobulin

Nadrodzina immunoglobulin (IgSF) jest jedną z największych nadrodzin białek w organizmie i zawiera wiele różnorodnych CAM zaangażowanych w różne funkcje. Te białka transbłonowe mają jedną lub więcej domen podobnych do immunoglobulin w swoich domenach zewnątrzkomórkowych i podlegają niezależnemu od wapnia wiązaniu z ligandami na sąsiednich komórkach. Niektóre CAM IgSF, takie jak cząsteczki adhezyjne komórek nerwowych (NCAM), mogą wiązać się homofilnie, podczas gdy inne, takie jak cząsteczki adhezyjne międzykomórkowe (ICAM) lub cząsteczki adhezyjne komórek naczyniowych (VCAM), ulegają heterofilnemu wiązaniu z cząsteczkami, takimi jak węglowodany lub integryny. Zarówno ICAM, jak i VCAM ulegają ekspresji na komórkach śródbłonka naczyniowego i wchodzą w interakcję z integrynami na leukocytach, wspomagając przyczepianie się leukocytów i ich przemieszczanie się przez barierę śródbłonka.

Połączenia komórka-macierz

Komórki tworzą macierz zewnątrzkomórkową, uwalniając cząsteczki do otaczającej ją przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Komórki mają specyficzne CAM, które wiążą się z cząsteczkami w macierzy pozakomórkowej i łączą macierz z wewnątrzkomórkowym cytoszkieletem . Macierz zewnątrzkomórkowa może działać jako wsparcie podczas organizowania komórek w tkanki, a także może być zaangażowana w sygnalizację komórkową poprzez aktywację szlaków wewnątrzkomórkowych po związaniu z CAM. W połączeniach komórka-macierz pośredniczą głównie integryny, które również skupiają się jak kadheryny, tworząc trwałe zrosty. Integryny to transbłonowe heterodimery utworzone przez różne podjednostki α i β, obie podjednostki o różnych strukturach domen. Integryny mogą sygnalizować w obu kierunkach: sygnalizacja wewnątrz-na zewnątrz, sygnały wewnątrzkomórkowe modyfikujące domeny wewnątrzkomórkowe, mogą regulować powinowactwo integryn do ich ligandów, podczas gdy sygnalizacja z zewnątrz do wewnątrz, zewnątrzkomórkowe ligandy wiążące się z domenami zewnątrzkomórkowymi, może indukować zmiany konformacyjne w integrynach i inicjować sygnalizację kaskady. Zewnątrzkomórkowe domeny integryn mogą wiązać się z różnymi ligandami poprzez wiązanie heterofilne, podczas gdy domeny wewnątrzkomórkowe mogą być albo połączone z włóknami pośrednimi, tworząc hemidesmosomy, albo z włóknami aktynowymi, tworząc zrosty ogniskowe .

Diagram półdesmosomów przedstawiający interakcje między integrynami i lamininą, w tym sposób łączenia integryn z włóknami pośrednimi keratyny

Półdesmosomy

W półdesmosomach integryny przyłączają się do białek macierzy zewnątrzkomórkowej zwanych lamininami w blaszce podstawnej , która jest macierzą zewnątrzkomórkową wydzielaną przez komórki nabłonka. Integryny łączą macierz zewnątrzkomórkową z keratyny , które oddziałują z wewnątrzkomórkową domeną integryn poprzez białka adaptorowe, takie jak plektyny i BP230. Półdesmosomy odgrywają ważną rolę w utrzymaniu stabilności strukturalnej komórek nabłonka poprzez pośrednie zakotwiczanie ich razem przez macierz zewnątrzkomórkową.

Zrosty ogniskowe

W zrostach ogniskowych integryny przyłączają fibronektyny , składnik macierzy pozakomórkowej, do włókien aktynowych wewnątrz komórek. Białka adaptorowe, takie jak taliny , winkuliny , α-aktyniny i filaminy , tworzą kompleks w domenie wewnątrzkomórkowej integryn i wiążą się z włóknami aktynowymi. Ten wielobiałkowy kompleks łączący integryny z włóknami aktynowymi jest ważny dla tworzenia kompleksów sygnałowych, które działają jako sygnały dla wzrostu i ruchliwości komórek.

Inne organizmy

eukarionty

Komórki roślin ściśle przylegają do siebie i są połączone przez plazmodesmy , kanały, które przechodzą przez ściany komórkowe roślin i łączą cytoplazmy sąsiednich komórek roślinnych. Cząsteczki, które są składnikami odżywczymi lub sygnałami niezbędnymi do wzrostu, są transportowane, biernie lub selektywnie, między komórkami roślinnymi przez plazmodesmy.

Pierwotniaki wykazują ekspresję wielu cząsteczek adhezyjnych o różnej specyficzności, które wiążą się z węglowodanami znajdującymi się na powierzchni ich komórek gospodarza. adhezja komórka-komórka jest kluczem do przyczepienia się patogennych pierwotniaków i wejścia do ich komórek gospodarza. Przykładem patogennego pierwotniaka jest malarii ( Plasmodium falciparum ), który wykorzystuje jedną cząsteczkę adhezyjną zwaną białkiem circumsporozoitowym do wiązania się z komórkami wątroby oraz inną cząsteczkę adhezyjną zwaną białkiem powierzchniowym merozoitu do wiązania czerwonych krwinek .

Grzyby chorobotwórcze wykorzystują cząsteczki adhezyjne obecne na ścianie komórkowej, aby przyłączać się, poprzez interakcje białko-białko lub białko-węglowodan, do komórek gospodarza lub fibronektyn w macierzy pozakomórkowej.

Prokarionty

Prokarionty mają cząsteczki adhezyjne na powierzchni komórek, zwane adhezynami bakteryjnymi , poza wykorzystaniem pilusów ( fimbriae ) i wici do adhezji komórek. Adhezyny mogą rozpoznawać różne ligandy obecne na powierzchni komórek gospodarza, a także składniki macierzy pozakomórkowej. Cząsteczki te kontrolują również specyficzność gospodarza i regulują tropizm (interakcje specyficzne dla tkanki lub komórki) poprzez interakcję z ich ligandami.

Wirusy

Wirusy mają również cząsteczki adhezyjne wymagane do wiązania wirusa z komórkami gospodarza. Na przykład grypy ma na swojej powierzchni hemaglutyninę , która jest wymagana do rozpoznawania cukru kwasu sialowego na cząsteczkach powierzchni komórki gospodarza. HIV ma cząsteczkę adhezyjną zwaną gp120 , która wiąże się ze swoim ligandem CD4 , który ulega ekspresji na limfocytach . Wirusy mogą również atakować składniki połączeń komórkowych, aby dostać się do komórek gospodarza, co dzieje się, gdy wirus zapalenia wątroby typu C atakuje okludyny i claudyny w ścisłych połączeniach, aby dostać się do komórek wątroby.

Implikacje kliniczne

Dysfunkcja adhezji komórek występuje podczas przerzutów raka . Utrata adhezji komórka-komórka w przerzutowych komórkach nowotworowych umożliwia im ucieczkę z miejsca pochodzenia i rozprzestrzenianie się w układzie krążenia. Jednym z przykładów rozregulowanych CAM w raku są kadheryny, które są inaktywowane albo przez mutacje genetyczne, albo przez inne onkogenne cząsteczki sygnałowe, umożliwiając komórkom nowotworowym migrację i większą inwazyjność. Inne CAM, takie jak selektyny i integryny, mogą ułatwiać przerzuty poprzez pośredniczenie w interakcjach komórka-komórka między migrującymi przerzutowymi komórkami nowotworowymi w układzie krążenia z komórkami śródbłonka innych odległych tkanek. Ze względu na związek między CAM a przerzutami raka, cząsteczki te mogą być potencjalnymi celami terapeutycznymi w leczeniu raka.

Istnieją również inne ludzkie choroby genetyczne spowodowane niezdolnością do ekspresji określonych cząsteczek adhezyjnych. Przykładem jest niedobór adhezji leukocytów -I (LAD-I), w którym ekspresja podjednostki integryny β2 jest zmniejszona lub utracona. Prowadzi to do zmniejszonej ekspresji heterodimerów integryny β2 , które są wymagane, aby leukocyty mocno przyczepiały się do ściany śródbłonka w miejscach zapalenia w celu zwalczania infekcji. Leukocyty pacjentów z LAD-I nie są w stanie przylegać do komórek śródbłonka, a pacjenci wykazują poważne epizody infekcji , które mogą zagrażać życiu.

Choroba autoimmunologiczna zwana pęcherzycą jest również spowodowana utratą adhezji komórek, ponieważ wynika z autoprzeciwciał skierowanych na własne kadheryny desmosomalne danej osoby, co prowadzi do oddzielania się komórek naskórka od siebie i powoduje powstawanie pęcherzy na skórze.

Patogenne mikroorganizmy, w tym bakterie, wirusy i pierwotniaki, muszą najpierw przylgnąć do komórek gospodarza, aby zarazić i wywołać choroby. Terapię antyadhezyjną można stosować w celu zapobiegania zakażeniom poprzez kierowanie cząsteczek adhezyjnych na patogen lub na komórkę gospodarza. Oprócz zmiany produkcji cząsteczek adhezyjnych, można również stosować konkurencyjne inhibitory, które wiążą się z cząsteczkami adhezyjnymi, aby zapobiec wiązaniu między komórkami, działając jako środki przeciwadhezyjne.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cell_adhesion&oldid=1136170227 ”