BUNĚČ. ěčných makromolekul - mimobuněč. ěčnou. ěčnými adhezemi. U obratlovců jsou hlavními spojovací.

Transkript

1 BUNĚČ ĚČNÉ SPOJE A ADHEZE Většina buněk k v mnohobuněč ěčném m organismu je organizována na do kooperativních spojení - tkání a ty jsou sloučeny v různých r kombinacích ch do většív ších funkčních jednotek - orgánů. Buňky v tkáních jsou obvykle v kontaktu s komplexní sítí sekretovaných mimobuněč ěčných makromolekul - mimobuněč ěčnou matrix (ECM). Ta pomáhá držet buňky v tkáních pohromadě a vytváří prostor, kde mohou buňky migrovat a interagovat.. V mnoha případech p padech jsou buňky v tkáních udržov ovány na místm stě přímými buněč ěčnými adhezemi. U obratlovců jsou hlavními typy tkání nervová,, svalová,, krevní,, lymfatická,, epiteliáln lní a spojovací. V spojovacích ch tkáních je mnoho ECM a buňky jsou v nín volně rozptýleny. Matrix je bohatá na vláknit knité polymery, zejména kolagen a je to matrix (spíš íše e než buňky) která nese většinu v mechanického ho stresu. Buňky jsou napojeny na komponenty matrix a jejich vzájemn jemné spojení není příliš důležité. Naopak v epiteliáln lních tkáních jsou buňky spojeny těsnt sně mezi sebou do vrstev (epitelů) ) a EM tvoří hlavně tenkou basáln lní laminu,, na které leží epiteliáln lní vrstva. Zde jsou to zejména buňky, které nesou většinu v mechanického ho stresu prostřednictv ednictvím m silných vnitrobuněč ěčných proteinových vláken (složek cytoskeletonu), které křižují cytoplasmu každou epiteliáln lní buňku. Pro přenos p mechanického ho stresu z jedné buňky na druhou jsou vlákna přímo p nebo nepřímo na pojena na transmembránov nové proteiny v plasmatické membráně,, kde se tvoří specializované spoje mezi povrchy sousedních buněk k a se spodní bazáln lní laminou. Epiteliáln lní vrstvy vyplňuj ují dutiny a volné povrchy v těle t a specializované spoje mezi buňkami umožň žňují těmto vrstvám m tvořit bariéry ry pro pohyb vody, roztoků a buněk k mezi jednotlivými tělnt lními kompartmenty.

2 Obnova střevní výstelky

3 Příčný řez částí stěny střeva 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

4 Mezi buňkami navzájem a buňkami a ECM se tvoří speciáln lní spoje (junctions( junctions) ) zprostředkovan edkované specifickými adhezními molekulami na buněč ěčném m 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.

5 Typy vazeb 1) homofilní (homotypická) vazba - váží se stejné molekuly sousedních b. 2) heterofilní (heterotypická) vazba - váží se různr zné molekuly 3) receptory na povrchu buněk jsou spojeny navzájem sekretovanou spojovací molekulou.

6 Mechanizmy, jimiž mohou povrchové molekuly zprostředkovat buněčné adheze

7 Úloha těsných spojení v buněčném transportu

8 Těsná spojení slouží v epitelech jako bariéra difúze rozpuštěných látek

9 Ukotvující (anchoring) vazby (spoje) VAZBA TRANSMEMBRÁNOVÝ EXTRACELULÁRNÍ INTRACELULÁRNÍ INTRACELULÁRNÍ ADHEZNÍ PROTEIN LIGAND CYTOSKELETÁRNÍ KOTEVNÍ PROTEINY UPEVNĚNÍ Buňka-Buňka Adherentní vazba kadherin kadherin aktinová vlákna α- a β-kateniny, (E-kadherin) v sousední buňce vinculin, α-aktinin, plakoglobin (γ-katenin) Desmozóm kadherin (desmoglein, desmogleiny a intermediální vlákna desmoplakiny, desmocollin) desmocolliny plakoglobin (γ-katenin) v sousední buňce Buňka-Matrix Fokální adheze integrin proteiny aktinová vlákna talin, vinculin, extracelulární matrix α-aktinin, filamin Hemidesmozóm integrin α6β4, BP180 proteiny intermediální vlákna plektin, BP230 extracelulární matrix

10 BUNĚČNÉ SPOJE, ADHEZE a MIMOBUNĚČNÁ MATRIX (ECM) Buněč ěčné spoje (junctions( junctions) - tři i funkční skupiny: occluding (tight) junctions - těsné spoje (epitel střeva) selektivně propustná bariéra ra - udržuj ují lokáln lní koncentraci tekutin anchoring junctions - ukotvující spoje - mechanicky spojují buňky a jejich cytoslekelet se sousedními buňkami nebo ECM - časté u tkání vystavených mechanickému mu stresu (pokožka) ka) místa připojenp ipojení filament aktinu: spoje buňka ka-buňka (např. adhezívn vní pásy u epitelů) spoje buňka ka-matrix (fokální kontakty nebo adhezivní plaky ) místa připojení intermediárn rních filament: spoje buňka ka-buňka (desmosomy) spoje buňka ka-matrix (hemidesmosomy) communicating junctions - komunikační spoje - zprostředkov edkovávají přenos chem. nebo el. signálů mezi interagujícími buňkami kami. gap junctions - mezerovitá spojení chemické synapse

11 Buňky uvolněné z různých r tkání embrya obratlovců (jsou-li smích chány dohromady) znovu přednostně spojují s buňkami téže t e tkáně. Tento tkáňov ově specifický rozeznávac vací proces u obratlovců je zprostředkov edkován n zejména rodinou na vápníkových iontech závislých z adhezivních proteinů - kadherinů,, které drží buňky pohromadě homofilními mi interakcemi mezi transmembránovými novými kadheriny přiléhajících ch buněk. Aby buňky držely pohromadě,, musí být kadheriny připojeny k cytoskeletonu. Většina živočišných buněk k mám také na vápníku nezávislý adhezívn vní systém buňka ka-buňka, který zahrnuje zejména členy imunoglobulinové nadrodiny,, jako jsou neuráln lní adhezívn vní molekuly (N-CAM, ICAM apod.) Jednotlivé buněč ěčnétypy používaj vají mnohonásobn sobné molekulárn rní mechanismy pro adhezi k jiným buněč ěčným typům m nebo EM,, avšak ak specifita vzájemn jemné buněč ěčné adheze pozorovaná v embryonáln lním m vývoji musí vyústit v integraci řady různých r adhezívn vních systémů,, z nichž některé jsou spojeny se specializovanými buněč ěčnými spojeními a jiné ne.

12 Adherentní spoje buňka ka-buňka - Cell Adhesion Molecules (CAM) závislé na Ca2+ U epitelů často tvoří souvislý adhezivní pás (zonula adherens) kolem každé interagující buňky, lokalizovaný hned pod těsnými t spojením. Homotypické mezibuněč ěčné interakce jsou zprostředkov edkovány transmembránovými novými vazebnými glykoproteiny - kadheriny (E-k. - epitelia, N-k. N - nervové buňky, P-k. P - placenta a epidermis). Na cytoplazm. straně membrány se tvoří komplexy CAC (Cadherine( Associated Complex) spojující přes vazebné proteiny (α, β, γ- katenin, vinkulin, α-aktinin) ) kadherinové molekuly se svazky vláken aktinu. Desmosomy fungují jako nýty epitelia a spojovacích ch tkání.. Uvnitř buněk k fungují jako ukotvení pro intermediárn rní filamenta - keratinová filamenta (epitely), desminová filamenta (srdeční sval) Selektiny (P-,, E-, E, L-) L menší rodina transmembránových nových glykoproteinů vážících ch se na cukerné zbytky na bílkovinách - přechodné vazby buněk k v krevním řečišti - umožň žňují např.. bílým b krvinkám vazbu k endoteliáln lním m b. a tak migrovat z krve do tkání v místech zánětu. z nezávisl vislé na Ca2+ zprostředkovan edkované členy imunoglobulinové superrodiny - zejména na leukocytech, ale i na endotelových, epiteliáln lních a další ších buňkách. ICAM (InterCellular Cell Adhesion Molecules) Heterotypick typické mezibuněč ěčné vazby aktivované u endoteliáln lních buněk, kde se vážív s integriny bílých b krvinek

13 Schéma ukotvujícího spoje ze dvou tříd proteinů

14 Napojení klasických kadherinů k aktinovým filamentům

15 Struktura a funkce selektinů

16 Adherentní spoje buňka - mimobuněč ěčná matrix Specializované oblasti membrány - fokáln lní kontakty nebo adhezívn vní plaky, kde končí svazky aktinových vláken ken. Integriny - transmembránov nové vazebné proteiny - členové velké rodiny povrchových buněč ěčných receptorů pro matrix zprostředkov edkovávají adhezi a slouží jako spoj mezi matrix a svazky aktinu v placích ch. Tvoří heterodimery (řetězce alfa a beta) Hemidesmosomy - podobné morfologicky desmosomům,, ale funkčně a chemicky odlišné - spojují bazáln lní povrch epiteliáln lních buněk s bazáln lní laminou.

17 INTEGRINY Základní receptory pro vazbu k ECM se slabou afinitou k ligandu Alfa a beta podjednotky jsou spojeny nekovalentními vazbami Fungují také jako přenašeče e signálů po aktivaci vazbou na matrix aktivují různé vnitrobuněč ěčné signáln lní dráhy, mohou kooperovat s jinými receptory a regulovat buněč ěčnou proliferaci, přežíváníp i diferenciaci. S cytoskeletem, kinázami a s receptory pro růstovr stové faktory jsou integriny propojeny adaptérovými proteiny. Nahloučen ené integriny tvoří tzv. imunologické rafty.. Vznikají multimolekulové agregáty místa fokáln lní adheze Bez zakotvení přes integriny buňky nemohou přežívat. p Integriny aktivují tyrosin kinázy zy,, např. fokáln lní adhezívn vní kináza (FAK -Focal Adhesion Kinase) ) 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) apoptóze indukované uvolněním m buněk k s fyziologických vazeb.

18 Indukce buněč ěčné smrti-anoikis a změny adhezívn vních vlastností epiteliáln lních buněk k kolonu ANOIKIS představuje typ buněč ěčné smrti, kterou umíraj rají epiteliáln lní buňky pokud dojde k narušen ení jejich kontaktu s extracelulárn rní matrix. Vznik rezistence buněk k k anoikis představuje jeden z kritických momentů v karcinogenezi tlustého střeva podpora invazivity Pro indukci anoikis v podmínkách in vitro je používán model neadherentní kultivace buněk ANOIKIS

19 Struktura subjednotek integrinového receptoru (buněčný povrch-matrix)

20 Fokální adheze

21 Regulace mimobuněčné vazebné aktivity integrinu zevnitř buňky

22 Desmosomy a hemidesmosomy

23 Regulace komplexu E-kadherinE kadherin/kateninkatenin a mechanismy degradace beta-kateninu u epiteliáln lních buněk Ca2+ stabilizuje dimery E-kadherinu,, ten se váže v cytopl.. doménou na další proteiny. Beta-katenin je normáln lně degradován n nebo se může e akumulovat při p dysregulaci tohoto procesu nebo defektivním E-kadherinu. Pak je translokován n do jádra, j kde se váže v e na LEF/TCF transkripční faktor aktivující transkripci řady genů Katenin se rovněž může e vázat v na APC protein, který spolu s další šími proteiny v makromolekulárn rním m komplexu zajišťuje na proteasomu závislou degradaci.

24

25

26 GAP JUNCTIONS MEZEROVITÁ SPOJENÍ gap junctional intercellular communication (GJIC) mezibuněč ěčné spoje z transmembránových nových 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) 2-4nm propustnou jen pro malé molekuly. Permeabilita je regulována na. Otevírání a zavírání závislé např. na ph, konc. divalentních iontů. Aby se tvořily GJ musí buňky adherovat k podkladu a být spojeny kadheriny.

27 Model gap junctions

28

29

30 Gap junctions

31 FYZIOLOGICKÁ ÚLOHA GJIC HOMEOSTÁZA rychlá rovnováha živin, iontů a tekutin ELEKTRICKÁ SPOJENÍ slouží jako el. synapse u neuronů,, buněk k hladkého ho svalstva, srdečních myocytů TKÁŇOV OVÁ ODPOVĚĎ NA HORMONY second messengers (Ca2+, camp, ceramid,, IP3) procházej zejí ze stimulovaných buněk dále - šířen ení signálů v bun. populacích ch REGULACE EMBRYONÁLN LNÍHO VÝVOJE cesta pro chemické a elektrické vývojové signály Homologní a heterologní komunikace - mezi stejnými nebo různými buněč ěčnými typy Změny v GJIC spojeny s kontrolou růstu, r vývoje, diferenciace, apoptózy a adaptivní odpovědi di

32 Model růstové kontroly prostřednictvím gap junctions (GJ) Růstově stimulační signál 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

33 Model růstovr stové kontroly prostřednictv ednictvím m gap junctions (GJ) Růstově inhibiční signál Růstově stimulační signál l difunduje do sousedních buněk k přes p GJ a zabraňuje buněč ěčnému dělend lení Signál l se neší šíří do buněk k postrádaj dajících ch GJ a dochází k buněč ěčnému dělení

34

35 EXTRACELULÁRN RNÍ (mimobuněčná)) MATRIX (ECM) ECM můžm ůže e ovlivňovat ovat tvar, přežitp ití a proliferaci buněk. Reciproční interakce mezi ECM a cytoskeletonem.. Většina V buněk k musí být připojena p k ECM, aby mohly růst, r proliferovat a přežívat p závislost na substrátu tu (anchorage( dependence) zprostředkov edkována integriny a jimi vybuzenými vnitrobuněč ěčnými signály. Makromolekuly tvořící ECM jsou produkovány lokáln lně buňkami v matrix,, které také pomáhaj hají její organizaci. Ve většinv ině spojovacích ch tkání jsou makromolekuly matrix sekretovány fibroblasty (chondroblasty ve chrupavce, osteoblasty v kostech apod.) Dvě hlavní třídy molekul tvořících ch matrix: 1) Glykosamylglykany (GAG) polysacharidové řetězce z opakujících ch 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 t a dermatan sulfát, heparan sulfát t a keratan sulfát 2) Vláknit knité proteiny kolagen, elastin, fibronektin, laminin strukturální a adhezivní funkce Degradace komponent ECM matrix metaloproteázy a serin proteázy Inhibitory metaloproteáz

36 Tři způsoby organizace bazální laminy

37 Souhrn spojovacích a nespojovacích adhezívních mechanizmů vazby savčích buněk navzájem a s ECM

38 Souhrn různých buněčných spojení nalezených u epiteliálních buněk obratlovců