Tytuł: Komunikacja międzykomórkowa Prowadzący: dr hab. Jarosław CzyŜ Kolokwium zaliczeniowe: s. D107

Transkrypt

1 Tytuł: Komunikacja międzykomórkowa Prowadzący: dr hab. Jarosław CzyŜ Nr BT 324 Wymiar: 15 godzin (7 wykładów) ECTS 2 Termin: Semestr jesienny roku akademickiego 2011/2012 Pierwszy wykład: (wtorek; godzina 10:00) Kolokwium zaliczeniowe: s. D107 E NH 3 + Tematyka: Funkcja komunikacji międzykomórkowej w ontogenezie, organogenezie i patofizjologii. Kategorie komunikacji międzykomórkowej: za pośrednictwem czynników chemicznych: komunikacja krynna, i mechanicznych: komunikacja baryczna. Zewnątrzkomórkowe mediatory komunikacji międzykomórkowej: białka macierzy zewnątrzkomórkowej i ich funkcja w regulowaniu komunikacji za pośrednictwem międzykomórkowej wymiany bodźców chemicznych i mechanicznych. Bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów za pośrednictwem złącz szczelinowych, plasmodesm i struktur nanotubularnych. Mechanizmy regulacji funkcji złącz szczelinowych i ich rola w homeostazie i organogenezie. Funkcja złącz szczelinowych w toku rozwoju nowotworów. Techniki analizy funkcji złącz szczelinowych. Funkcja integryn i CAMs w komunikacji międzykomórkowej. Oddziaływania komórka - mikrośrodowisko, a róŝnicowanie komórek macierzystych i rozwój nowotworów. E2 4 1 COO _

2 Jarosław CzyŜ Komunikacja międzykomórkowa Zakład Biologii Komórki, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ, ul. Gronostajowa 7, Kraków, Tel, : ( 48 12) ; Fax: (48 12) pokój: 2.028/C123 jarek.czyz@uj.edu.pl 2

3 Tytuł: Komunikacja międzykomórkowa Prowadzący: dr hab. Jarosław CzyŜ Nr BT 324 Osoby nie ujęte na tej liście proszone są o wpisywanie się na USOS. Forma zaliczenia: test wyboru Termin testu: Wtorek: ; sala D107 3

4 Rodzaje faktów naukowych: -fakty potwierdzone doświadczalnie o charakterze uniwersalnym -fakty potwierdzone doświadczalnie w niektórych układach biologicznych -fakty potwierdzone doświadczalnie w niektórych układach biologicznych ale tylko w niektórych laboratoriach -artefakty Zalecana literatura: 1. Blau, H. M., Brazelton, T. R. & Weimann, J. M. The evolving concept of a stem cell: entity or function? Cell 105, (2001). 2. Comoglio, P. M., Boccaccio, C. & Trusolino, L. Interactions between growth factor receptors and adhesion molecules: breaking the rules. Curr. Opin. Cell Biol. 15, (2003). 3. Condeelis, J. & Pollard, J. W. Macrophages: obligate partners for tumor cell migration, invasion, and metastasis. Cell 124, (2006). 4. Czyz, J. The stage-specific function of gap junctions during tumourigenesis. Cell Mol. Biol. Lett. 13, (2008). 5. Jaalouk, D. E. & Lammerding, J. Mechanotransduction gone awry. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10, (2009). 6. Mroue, R. M., El Sabban, M. E. & Talhouk, R. S. Connexins and the gap in context. Integr. Biol. (Camb. ) 3, (2011). 7. Naus, C. C. & Laird, D. W. Implications and challenges of connexin connections to cancer. Nat. Rev. Cancer 10, (2010). 8. Savagner, P. The epithelial-mesenchymal transition (EMT) phenomenon. Ann. Oncol. 21 Suppl 7, vii89-vii92 (2010). 9. Voog, J. & Jones, D. L. Stem cells and the niche: a dynamic duo. Cell Stem Cell 6, (2010) 4

5 Plan kursu 1. Komunikacja międzykomórkowa w szerokim kontekście 2. Powiązania między somatycznymi komórkami macierzystymi a rozwojem nowotworów- rola komunikacji międzykomórkowej 3. Rola receptorów adhezji komórkowej w regulacji proliferacji i róŝnicowania komórek 4. Mechanotransdukcja bodźce mechaniczne a fizjologia komórek 5. Paneksyny, ineksyny; oraz funkcje koneksyn niezaleŝne od GJIC 6. Bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów złącza szczelinowe 7. Komunikacja międzykomórkowa a rozwój choroby nowotworowej Socjalne zachowania komórek 5

6 Nisza ekologiczna - Nisza jest to zbiór cech gatunku, pozwalający na pobieranie zasobów, uniknięcie niebezpieczeństw i skuteczną konkurencję, wraz z odpowiadającym mu zbiorem potrzeb Grinnel, 1904; Colinvaux, Nisza oznacza miejsce gatunku w środowisku biotycznym, wyznaczają ją interakcje tego gatunku z tymi, które stanowią jego pokarm, i z wrogami Elton, 1927 odniesienie do biocenozy - Nisza stanowi zbiór warunków ekologicznych, w zakresie których gatunek moŝe eksploatować zasoby na tyle skutecznie, aby móc się rozmnaŝać i kolonizować podobne środowiska Macfaydyen, 1952 ekspansja - Nisza stanowi wielowymiarową bryłę w hiperprzestrzeni wyznaczonej przez osie zasobów środowiska Hutchinson, 1958 J. Weiner, Encyklopedia ekologii,

7 Komunikacja międzyustrojowa za pośrednictwem... sygnałów elektrycznych......bodźców chemicznych......sygnałów mechanoakustycznych sygnałów mechanicznych... 7

8 ...bezpośrednia wymiana metabolitów... 8

9 Na początku były...organizmy jednokomórkowe Kosmos w kropli wody 9

10 śycie socjalne bakterii Monika Klejman; Wiedza i śycie, Sierpień 2009, 52 - Bakterie Vibrio fischeri rezydujące w ciele kałamarnicy Euprymna scolopes reagują na zagęszczenie produkcją autoinduktora - stymulacja produkcji lycyferazy - Bakterie Gram-ujemne (Burholderia, Pseudomonas, V. fisheri) jako autoinduktora uŝywają laktonów Nacylo-homoseryny specyficznych dla danego gatunku - Autoinduktorami dla bakterii Gram-dodatnich (E.coli, Yersinia sp. etc.) są wielopierścieniowe cząsteczki zawierające atom boru. Zastosowanie inhibitorów autoinduktorów (np. furanonów) moŝe10być suplementem antybiotykoterapii

11 Interakcje organizmów jednokomórkowych z mikrośrodowiskiem Vorticella sp. Sygnały środowiskowe Ron Neumayer, Microimaging Services Taksje Paramecium sp. Oddziaływania międzykomorkowe 11

12 Komunikacja między komórkami pierwotniaków lecz w przypadku organizmów wielokomórkowych sygnały pochodzące od komórek tego samego gatunku mają o wiele większe znaczenie 12 Sugiura et al., 2005

13 Cykl Ŝyciowy Dictyostelium sp. Inteligencja ameb? raczej komunikacja za pośrednictwem wtórnych metabolitów 13

14 Kiedyś organelle komórkowe były osobnymi organizmami Mitochondria Chloroplasty Wskazują na to: - właściwości DNA mitochondrialnego - budowa rybosomów mitochondrialnych 14

15 Podsumowanie Organizmy jednokomórkowe funkcjonują w obrębie niszy, której właściwości determinowane są nie tylko przez właściwości otaczającej je materii nieoŝywionej, lecz równieŝ przez funkcje innych komórek Podobnie jest w przypadku organizmów wielokomórkowych!!! 15

16 Komunikacja międzykomórkowa w akcji Shigella flexneri na aktynowym dopalaczu Leukocyt w pogoni za bakterią Theriot Lab Movie Collection-Stanford Univ 16

17 Totipotencjalna komórka macierzysta daje początek złoŝonemu organizmowi wielokomórkowemu 50µm 17

18 Zygota jako komórka macierzysta organizmu wielokomórkowego Totipotencjalna komórka macierzysta róŝnicuje w róŝnorodne typy funkcjonalnie wyspecjalizowanych komórek Blastocysta i zarodek człowieka Komórka macierzysta Człowiek 1 5 d Komórka wyspecjalizowana ~ typów komórek komórek Anna Wobus, 2001 Komórki macierzyste dzięki potencjałowi mitotycznemu i zdolności do róŝnicowania w wyspecjalizowane, terminalnie zróŝnicowane fenotypy zdolne są do budowania autonomicznych struktur i systemów wielokomórkowych 51 d 18 Early development Post-natal development Adultness Soria et al., 2001 W toku ontogenezy organizmu wielokomórkowego pula komórek proliferujących dominowana jest róŝnorodnymi populacjami komórek terminalnie zróŝnicowanych 18

19 Ontogeneza i homeostaza organizmów wielokomórkowych jest funkcją interakcji między komórkami a składnikami ich nisz Składniki niszy: - komórki podścieliska - macierz zewnątrzkomórkowa - czynniki humoralne 19

20 Totipotencjalna komórka macierzysta daje początek złoŝonemu organizmowi 50µm Komórki macierzyste decydują o rozwoju organizmu i utrzymaniu jego homeostazy. - skóra Zygota - jelito ICM - krew Embrionalne komórki macierzyste Somatyczne, specyficzne tkankowo komórki macierzyste - Tkanki odnawialne (np. skóra, jelito, krew) 20 - Tkanki o potwierdzonym potencjale regeneracyjnym (np. mięśnie szkieletowe, kości) - Tkanki nieodnawialne (?) (np. układ nerwowy, serce)

21 Komorki macierzyste jelita cienkiego rezydują w kryptach Goblet cells - mucins Paneth cells - defensins K A Moore, I R Lemischka Science 2006;311: Enteroendicrine cells seratonin, somatostatin 21

22 Homeostaza jelita Crypt based columnar cells in vitro 22

23 Komórki macierzyste w niszy mieszka włosowego K A Moore, I R Lemischka Science 2006;311:

24 Komórki macierzyste w niszy szpiku kostnego K A Moore, I R Lemischka Science 2006;311:

25 Nisza Mikrośrodowisko komórki pozostające w stanie ciągłej z nią wymiany informacji - Nisza stanowi zbiór warunków ekologicznych, w zakresie których gatunek moŝe eksploatować zasoby na tyle skutecznie, aby móc się rozmnaŝać i kolonizować podobne środowiska Macfaydyen, 1952 ekspansja - Nisza oznacza miejsce gatunku w środowisku biotycznym, wyznaczają ją interakcje tego gatunku z tymi, które stanowią jego pokarm, i z wrogami Elton, 1927 odniesienie do biocenozy - Nisza jest to zbiór cech gatunku, pozwalający na pobieranie zasobów, uniknięcie niebezpieczeństw i skuteczną konkurencję, wraz z odpowiadającym mu zbiorem potrzeb Grinnel, 1904; Colinvaux, Nisza stanowi wielowymiarową bryłę w hiperprzestrzeni wyznaczonej przez osie zasobów środowiska Hutchinson,

26 ŚcieŜka sygnałowa zaleŝna od cytokin z rodziny Wnt Nucleus Cadherins GJs p120ctn β-catenin α-actinin α-catenin γ-catenin vinculin β-catenin LEF β-catenin DNA TCF Wnt responsive gene expression LEF β-catenin TCF β-catenin β-catenin GSK3β APC Axin Dsh paxillin α-actinin talin tensin vinculin Integrin frizzled ECM Wnt-1 26

27 Funkcja kadheryn Białka łączące domeny cytoszkieletarne sąsiadujących komórek za pośrednictwem bezpośredniej adhezji międzykomórkowej Moreno, 2003 Kobielak,

28 Funkcja integryn Białka łączące domeny cytoszkieletarne sąsiadujących komórek za pośrednictwem macierzy zewnątrzkomórkowej Ale o tym później

29 Oddziaływania krynne Mechanizm parakrynny - wydzielane substancje działają miejscowo na ograniczoną liczbę najbliŝej połoŝonych komórek, zasięg zaleŝy od gradientu stęŝenia w tkance, np. cytokiny, czynniki wzrostowe Mechanizm endokrynny- substancje wydzielane przez wyspecjalizowane grupy komórek tworzących gruczoły do układu krąŝenia działają na komórki tkanek docelowych np. hormony peptydowe i steroidowe, neurohormony, witaminy 29

30 Oddziaływania krynne (cd.) mechanizm autokrynnny- substancja wytwarzana przez komórkę działa na nią samą? mechanizm jukstakrynny-substancja związana z błoną komórki przekazującej sygnał wywołuje reakcję komórki sąsiedniej w wyniku bezpośredniego kontaktu z receptorem na jej powierzchni (czynniki z rodziny Notch-Delta) 30

31 Komunikacja międzykomórkowa za pośrednictwem złącz szczelinowych Bezpośredni międzykomórkowy transfer metabolitów 31

32 Podsumowanie Mediatory komunikacji międzykomórkowej w obrębie niszy - oddziaływania krynne P1 P2 ECM GFs - bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów DiI Calcein Donor cell - oddziaływania baryczne 32 Banes et al,, 1995

33 Dynamika interakcji między komórkami a ich niszami w toku specyficznego-tkankowo róŝnicowania komórek 1 P1 1P2 2P1 Stopień zróŝnicowania 33

34 Totipotencjalna komórka macierzysta róŝnicuje w róŝnorodne typy funkcjonalnie wyspecjalizowanych komórek Komórka macierzysta Człowiek 1 Bruzdkowanie - morulacja ~ typów komórek komórek Morula Komórka wyspecjalizowana 34

35 Ontogeneza i organogeneza organizmów wielokomórkowych Interakcje między komórkami a ich mikrośrodowiskiem, czyli niszą, w toku organogenezy NiezróŜnicowane komórki progenitory wysyłają sygnały (ECM, GFs) do środowiska powodując zmianę jego właściwości Zmiany właściwości niszy prowadzą do ukierunkowanego róŝnicowania komórek w jej obrębie To zaś skutkuje modyfikacją właściwości niszy skutkującą utrwaleniem fenotypu specyficznego tkankowo 35

36 The basic concept of a stem cell niche. Komunikacja międzykomórkowa w obrębie niszy LaBarge M A Clin Cancer Res 2010;16:

37 Dynamika niszy komórek macierzystych szpiku kostnego J. Exp Med March 14; 208(3): doi: /jem (Sugiyama et al. Maintenance of the Hematopoietic Stem Cell Pool by CXCL12- CXCR4 Chemokine Signaling in Bone Marrow Stromal Cell Niches. Immunity Dec;25(6):977-88) 37

38 Dynamiczna nisza migrujących fibrocytów The CXCR4-expressing fibrocytes are recruited from the circulation to the tissue by a gradient of stromal cell-derived factor (SDF)-1/CXCL12. In the tissue the fibrocytes move and interact with the dynamic/temporal local micro-environmental niche consisting of a broad array of extracellular matrix (ECM) molecules such as collagens, proteoglycans, hyaluronan, and glycoproteins. ECM functions as a reservoir for a large number of growth factors and cytokines, e.g., SDF-1/CXCL12, transforming growth factor (TGF)-β, interleukin (IL)-8, tumor necrosis factor (TNF)-α, platelet-derived growth factor (PDGF), and vascular endothelial growth factor. In disease states, the structure and composition of the ECM is changed, and that strongly affects the activity of cells in the niche. The alteration of the ECM, is dependent on type of disease, state of disease, gene signature, age, gender, nutrition, infection, and also physical location in the pulmonary tree. Respiratory Research. 2011; 12(1):

39 Model of the maintenance of prostate epithelial parenchyma Stem cells within their niche in prostate Czyz, J. et al. (2012) The role of connexins in prostate cancer promotion and progression Nat. Rev. Urol. doi: /nrurol

40 Komunikacja międzykomórkowa Nisza Mikrośrodowisko komórki pozostające w stanie ciągłej z nią wymiany informacji 26 Wymiana informacji między komórką a niszą decyduje o homeostazie złoŝonych organizmów wielokomórkowych 40

41 Zaburzenia homeostazy organizmów wielokomórkowych są funkcją zaburzeń komunikacji między komórkami a ich niszami Nisza Kompleks powierzchniowy 33 41

42 42

43 Jądro a cytoplazma micro.magnet.fsu.edu/cells/nucleus/nucleus.html 43

44 "Es liegt also am Eiplasma, nicht an den Kernen, zu welchem Teil des Embryos sich die Teile des Keimes entwickeln." Hans Spemann, 1914 'It depends on the plasma, not on the nuclei, into which part of the embryo the parts of the egg develop.' To cytoplazma, a nie jądro decyduje o tym, w jaką część zarodka rozwinie się dany fragment komórki jajowej 44

45 Podział asymetryczny neuroblastów Knoblich lab ( 45

46 Typy symetrii podziałów komórek (1) Podział symetryczny generujący dwie komórki macierzyste namnaŝanie komórek macierzystych (2) Podział asymetryczny generujący jedną komórkę macierzystą i jedną róŝnicującą lub zróŝnicowaną homeostaza/status quo (3) Podział symetryczny generujący dwie identyczne komórki róŝnicujące lub zróŝnicowane namnaŝanie progenitorów kosztem komórek macierzystych (4) Podział asymetryczny generujący nie identyczne komórki róŝnicujące lub zróŝnicowane róŝnicowanie tkanki 46

47 Populacja komórek macierzystych determinuje samoodnowę tkanki regulując równowagę miedzy podziałami symetrycznymi i asymetrycznymi 1 P1 1P2 2P1 47

48 Model ontogenezy, organogenezy i karcinogenezy organizmów wielokomórkowych funkcja niszy Interakcje między komórkami macierzystymi a ich a ich niszami czyli mikrośrodowiskiem pozostającymi w stanie ciągłej z nią wymiany informacji decydują o przebiegu ontogenezy i organogenezy organizmów wielokomórkowych Zaburzenia komunikacji między komórkami a ich niszą decydują o48 toku rozwoju nowotworu