Sieć interakcji międzykomórkowych w obrębie tkanki łącznej

Transkrypt

1 Sieć interakcji międzykomórkowych w obrębie tkanki łącznej Adhezja vs. stabilność niszy 1

2 Funkcja Niszy czyli mikrośrodowiska komórek w transformacji nowotworowej Mediatory wymiany informacji między komórką a niszą wspomagające transformację nowotworową: Neo - zaburzenia funkcji endo- i egzogennych czynników humoralnych oddziaływania krynne P modyfikacje składu macierzy międzykomórkowej oraz ekspresji receptorów adhezji komórkowej, np. integryn i kadheryn Wnts S P2 P zmiany równowagi mechanochemicznej w obrębie niszy, prowadzące do zaburzeń wymiany bodźców mechanicznych między komórka a jej mikrośrodowiskiem -deregulacja bezpośredniej wymiany metabolitów za pośrednictwem złącz szczelinowych 2 Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68:

3 Zmutowane somatyczne komórki macierzyste jako źródło nowotworów Inicjacja nowotworu Rozwój guza pierwotnego Czynniki inicjujące Mutacje genów regulatorowych Zaburzenia proporcji między podziałem symetrycznym i asymetrycznym Inwazyjna komórka macierzysta Możliwe cechy odpowiedzialne za inwazyjność komórek nowotworowych: - Ruchliwość - Cechy reologiczne - Aktywność enzymów proteolitycznych - Ekspresja białek adhezji - Koneksyny - Reaktywność na chemoatraktanty Guz wtórny 3

4 Model karcinogenezy organizmów wielokomórkowych funkcja niszy Interakcje między komórkami macierzystymi a ich a ich niszami Zaburzenia komunikacji między komórkami a ich niszą decydują o toku 4 rozwoju nowotworu

5 Komórki macierzyste stanowią potencjalne źródło nowych organów ale również nowotworów NIH Report,

6 Embrionalne komórki macierzyste (in vitro) Embrionalne komórki macierzyste ICM in vivo Zygota Blastocysta Blyszczuk P., Czyz J., Kania G., Wagner M., Roll U., St-Onge L., Wobus A.M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2003) 100: Boheler K.R., Czyz J., Tweedie D., Yang H-T, Anisimov S.V., Wobus A.M. Differentiation of pluripotent embryonic stem cells into cardiomyocytes. Circ. Res. (2002) 91:

7 Technologie wykorzystania komórek macierzystych in vitro In Vivo Teratocarcinoma Plemnik Oocyt Zygota ICM Blastocysta EGC Komórki linii germinalnej ESC Embrionalne komórki macierzyste ECC Teratocarcinoma Embryo 12,5 d p.c. In Vitro Differentiation as cell aggregates ("embryoid bodies") "Embryoid body" 7 Differentiation into endodermal, ectodermal and mesodermal cells

8 Strategie wykorzystania komórek macierzystych w terapii Biopsja 2 Różnicowanie somatycznych KM in vivo Cytoplazma komórki jajowej lub embr. kom. macierzystej Jądro kom. 3 Różnicowanie somatycznych KM in vitro 1 Reprogramming i technologia wyk. embrionalne kom. macierzyste Blastocysta Transplantacja Generowanie nowych typów komórek in vitro Embrionalne kom. macierzyste Strategie nr 1 i 3 wymagają poznania tajników funkcji mikrośrodowiska w regulacji różnicowania komórek macierzystych, natomiast strategia nr 2 może nam pomóc w zgłębianiu tychże tajników 8

9 Trosko,

10 Przeprogramowanie jąder komórek somatycznych po implantacji do cytoplazmy komórek jajowych prowadzi do rozwoju kompletnego organizmu Ian Wilmut i owca Dolly (1997) 10

11 Embrionalne komórki macierzyste vs. indukowane komórki progenitorowe NIH Report,

12 Komunikacja międzykomórkowa w ontogenezie i patogenezie Narzucanie zbiorowej pamięci historycznej jest cechą reżimów autorytarnych i totalitarnych utopii Santos Julia komórki macierzyste a komórki nowotworowe 12

13 Mediatory komunikacji międzykomórkowej w obrębie niszy - oddziaływania krynne P1 P2 ECM GFs - oddziaływania baryczne Banes et al,, bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów DiI Calcein Donor cell 13

14 Błona komórkowa jako pośrednik w wymianie informacji między komórkami a ich mikrośrodowiskiem - Funkcja barierowa - Transport wewnątrzkomórkowy - Tworzenie wewnątrzkomórkowych przedziałów - Komunikacja międzykomórkowa 14

15 Kompleks powierzchniowy 15

16 Tratwy lipidowe Obszary błony komórkowej bogate w sfingolipidy, cholesterol fosfolipidy Platforma kooperacji receptorów błonowych, kanałow jonowych i wewnątrzkomórkowych szlaków sygnałowych World J Gastroenterol May 28; 17(20):

17 Tratwy lipidowe w transdukcji sygnału World J Gastroenterol February 14; 17(6):

18 Cytoszkielet aktynowy w organizacji tratw lipidowych - Tratwy tworzą się jako nanoklastry o średnicy poniżej 20 nm -Łącząc się tworzą makrodomeny o wielkościach micronowych - Sygnały aktywujące polimeryzację aktyny i lączenie mikrofilamentów z błoną decydują o przebiegu tego procesu -Interakcje cytoszkieletu aktynowego z błoną komórkową stabilizują strukturę tratw Cell Mol Life Sci July; 66(14):

19 Interakcje między tratwami lipidowymi a korteksem podbłonowym A: Low-magnification overview of the peripheral cytoskeleton reveals actin-rich lamellipodia and associated filopodial extensions. Note the numerous GM1- positive lipid rafts interspersed throughout the extracted cytoplasm. B and C: Electron tomographic analysis of a detergent-resistant membrane island and the surrounding cytoskeletal matrix World J Gastroenterol February 14; 17(6):

20 Mechanizmy interakcji tratw z cytoszkieletem aktynowym Rafts are enriched with protein and lipid effectors that function in tethering actin filaments to the plasma membrane. Lipid cofactor PIP 2, which occurs in the cytoplasmic leaflet of the plasma membrane. Phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-product PIP 3 is necessary for activation of the Rho family GEF Vav. The Rho GTPases activate actin polymerization via Wiskott-Aldrich syndrome family protein (WASP) and WASP family WAVE protein. These in turn activate actin polymerization and branching through the Arp2/3 complex. Other raft-associated proteins that bind actin filaments are supervillin, myosin-iia, and myosin IG. Ezrin-radixin-moesin (ERM) proteins link transmembrane proteins, such as adhesion receptors, to the actin cytoskeleton. ERM proteins are regulated by PIP 2, which binds the FERM domain of the ERM proteins. Activated integrins associate with membrane rafts. Talin links integrins to the actin cytoskeleton either directly or indirectly by interacting with another cytoskeletal protein vinculin. PIP 2 regulates talin interactions with integrins, actin and vinculin. 20 Cell Mol Life Sci July; 66(14):

21 Integracja błonowego i cytoszkieletarnego systemu kompartmentacji komórkowej 21

22 Schematyczny diagram opisujący system sarkomeryczny w komórkach mięśnia sercowego (kardiomiocytach) Złącza szczelinowe Kontakty międzykomórkowe zależne od kadheryn Oddziaływania komórka-macierz zewnątrzkomórkowa za pośrednictwem integryn 22 Trends in Cell Biology, 2005

23 Spontaniczna kurczliwość kardiomiocytów in vitro KM film 23

24 24

25 Kompleks powierzchniowy fibroblastów stemcellstissueengn.com 25

26 Nisza Kompleks powierzchniowy 26

27 Kontakty zogniskowane zawiesina rzadka" hodowla aktyna winkulina białka strukturalne białka sygnałowe Adhezja komórkowa za pośrednictwem kompleksów białkowych związanych z cytoszkieletem decyduje o migracji komórek... 27

28 Ścieżki sygnałowe zależne od integryn (II) 1. Szlaki sygnałowe zależne od integryn wykazują wysoki poziom złożoności 2. Szlaki te wchodzą w interakcje ze ścieżkami sygnałowymi zależnymi od czynników wzrostowych Lee&Juliano,

29 a oto skala tych interakcji 29

30 Receptorowe kinazy tyrozynowe (np. receptory EGF aktywują białko Ras wiążące GTP Aktywne białko Ras kinaza I kinaza II kinaza III Białko X Bialko regulatorowe genu A Białko Y Białko regulatorowe genu B 30

31 Aktywność szlaku EGF modulowana jest przez ścieżki sygnałowe zależne od integryn Lee&Juliano, 2004 Mikrokompartmentacja!!! 31

32 Interakcje między ścieżkami sygnałowymi zależnymi od integryn i GFs Błona komórkowa Macierz zewnątrzkomórkowa b a Ligand Czynnik wzrostowy RTK P FAK SFKs SFKs SHC P p130cas/ paxillin CRK DOCK 180 CRK C3G PI3K PtdIns(3,4,5)P3 GEF Akt/PKB GRB2 SOS Ras GTP Rac GTP RAP1 GTP Raf NF-kB PAK B-Raf MEK JNK JUN ERK/MAPK Cell proliferation Cell survival Cell differentiation Cell migration ERK/MAPK 32

33 Rozwój choroby nowotworowej w kontekście niszy 1. Akumulacja zmian genetycznych w komórkach macierzystych 2. Zaburzenia komunikacji między komórkami a ich mikrośrodowiskiem, czyli niszą Mediatory komunikacji międzykomórkowej w obrębie niszy - oddziaływania krynne P1 ECM P2 GFs - oddziaływania baryczne Banes et al,, bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów DiI Calcein Donor cell 22 33

34 Mutacje genów powodujących nadaktywność ścieżek zależnych od czynników wzrostowych powodują zanik zależności wzrostu od przyczepienia komórki do podłoża Mutacje genu kodującego białko Ras powodują zanik wrażliwości komórek na fizyczny kontakt z mikrośrodowiskiem Collaborative cancerous signalling Comoglio et al.,

35 Proliferacja komórek prawidłowych i nowotworowych CHF MLL B16 XC Neo Norm Czyz et al.,

36 Zależność wzrostu komórek od ich przyczepienia do podłoża Komórki normalne adhezja + czynniki wzrostowe Komórki transformowane proliferacja Adhezja komórek prawidłowych za pośrednictwem integryn decyduje o ich reaktywności na czynniki humoralne Komórki nowotworowe nie wykazują zależności wzrostu od przyczepienia do podłoża 36

37 Pochodzenie linii komórek nowotworowych 37

38 Funkcja Niszy czyli mikrośrodowiska komórek w transformacji nowotworowej Mediatory wymiany informacji między komórką a niszą wspomagające transformację nowotworową: Neo - zaburzenia funkcji endo- i egzogennych czynników humoralnych oddziaływania krynne P modyfikacje składu macierzy międzykomórkowej oraz ekspresji receptorów adhezji komórkowej, np. integryn i kadheryn Wnts S P2 P zmiany równowagi mechanochemicznej w obrębie niszy, prowadzące do zaburzeń wymiany bodźców mechanicznych między komórka a jej mikrośrodowiskiem -deregulacja bezpośredniej wymiany metabolitów za pośrednictwem złącz szczelinowych 38 Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68:

39 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 o 39 toku rozwoju nowotworu

40 Cechy komórek nowotworowych in vitro Zjawiska kontaktowe: - Zależność wzrostu od przyczepienia -> promocja - Kontaktowe zahamowanie wzrostu -> promocja - Kontaktowe zahamowanie migracji -> progresja - Naprowadzanie przez kontakt -> progresja 40

41 Wpływ aktywności receptorów czynników wzrostowych na ruchliwość komórek HGF i EGF regulują ruchliwość komórek poprzez wpływ na status funkcjonalny kompleksów cytoszkieletarnych związanych z integrynami Comoglio et al.,

42 Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) An orchestrated series of events in which cell-cell and cell- ECM interactions are altered to release epithelial cells from the surrounding tissue: EMT occurs in effect of cell metastability or is activated by a range of signalling pathways (b-catenin, Snail and Slug-dependent) regulated by HGF, TGF, EGF, FGF, Wnt etc ) A549 Radisky, D. C. J Cell Sci 2005;118: EPI Mes - Rear-front polarisation - Induction of cell motility - Switches in the gene expression pattern (Snail-1) Bechyne et al.,2011 Cytoskeleton architecture! 42

43 Cancer promotion and progression Primary tumour TSC Clonal expansion, proliferation, heterogeneity, angiogenesis EMT: epithelial-mesenchymal transition Lymphocyte Tissue invasion Intravasation - morphological changes - Snail activation - gene expression switches (E-cadherin -> N-cadherin) Interactions with immune cells Platelets Secondary tumour Capillary arrest Extravasation -Lymphocytes -Platelets -Monocytes/macrophages Angiogenesis Metastasis 43