8. Połączenia międzykomórkowe, adhezja międzykomórkowa i macierz zewnątrzkomórkowa

POŁĄCZENIA MIĘDZYKOMÓRKOWE / 195 8. Połączenia międzykomórkowe, adhezja międzykomórkowa i macierz zewnątrzkomórkowa SŁOWA KLUCZOWE Adhezja komórkowa Połączenie zamykające Połączenie zwierające Kadheryna Katenina Desmosomy Hemidesmosomy Integryny Cząsteczki adhezji komórkowej Glikozaminoglikany Hialuronan Proteoglikany Kolageny Elastyna Fibronektyna Laminina Organizacja komórek w grupy, które tworzą tkanki nie jest przypadkowa. Komórki są połączone w zespoły, które łączą się wzajemnie w sposób niezwykle uporządkowany. Struktura głównych tkanek wynika ze swoistej adhezji grup komórek, ich połączeń z cytoszkieletem wewnętrznym i z interakcji z macierzą zewnątrzkomórkową (ECM Extracellular Matrix). ECM jest kompleksem różnych makrocząsteczek, które tworzą szkielet podporowy utrzymujący komórki i tkanki razem. Taki doskonale zorganizowany szyk komórek i tkanek tworzy narząd. Podczas tworzenia tkanki pojedyncze komórki nie sklejają się ze sobą w prosty sposób, lecz są zorganizowane tak, że ich położenie i orientacja wewnątrz tkanki pozwala na komunikację wewnątrzkomórkową oraz na integrację funkcji. Rozwój i utrzymanie swoistości funkcji tkanki wynika z kompleksu interakcji między tkanką i jej środowiskiem fizycznym, tj. przyleganie międzykomórkowe obejmuje rozmaite procesy sygnalizacyjne, które kontrolują przepływ informacji pomiędzy sąsiednimi komórkami. Adhezja komórkowa nie powinna być rozumiana jako proces, dzięki któremu grupy komórek są po prostu związane razem przez obojętny zespół cząsteczek, analogicznie do nakrętki i śruby trzymającej rusztowanie. Adhezja komórkowa jest raczej procesem dynamicznym. Wiele cząsteczek, które pośredniczą w adhezji komórkowej i w organizacji tkanek także bierze udział w reakcjach sygnalizacyjnych. ZŁĄCZE KOMÓRKA KOMÓRKA I KOMUNIKACJA MIĘDZYKOMÓRKOWA Ewolucyjne przejście od pojedynczej komórki pierwotniaka do organizmu wielokomórkowego wymaga mechanizmów łączących komórki i umożliwiających komunikację. Podczas prawidłowej embriogenezy interakcje adhezyjne działają w procesach morfogenetycznych przez cały okres rozwoju organizmu. Te współdziałania wymagają nie tylko kontaktu między sąsiednimi komórkami, lecz także adhezji komórki z ECM. Skoordynowane współdziałania receptorów powierzchniowych komórki i aktywność cytoszkieletu w komórce są niezbędne, aby wpływać na różne etapy rozwojowe, włączając proliferację komórek, ruch i różnicowanie. Procesy te, polegające na współdziałaniu ligand-receptor i morfogenezie napędzanej przez cytoszkielet, prowadzą do

196 / PODSTAWY MOLEKULARNE BIOLOGII KOMÓRKI Tabela 8.1. Połączenia zwierające 1 Połączenie Zwierające (komórka komórka) Desmosom Zwierające (komórka macierz) Transbłonowe białko łączące Katheryna (katheryna E) Katheryna (desmogliena i desmokolina) Integryna Katheryna sąsiedniej komórki Białka macierzy zewnątrzkomórkowej Hemidesmosom Integryna Białka macierzy zewnątrzkomórkowej (błona podstawna) Ligand zewnątrzkomórkowy Katheryna pobliskiej komórki Wewnątrzkomórkowy przyczep cytoszkieletu Filamenty aktynowe Filamenty pośrednie Filamenty aktynowe Filamenty pośrednie Wewnątrzkomórkowe białka przyczepu Kateniny, winkulina, α-aktynina, plakoglobina Desmoplakiny, plakoglobina Talina, winkulina, α-aktynina Pochodne desmoplakiny 1 Zmodyfikowano, za zgodą, wg: Alberts B: Molecular Biology of the Cell, Garland, 1994, s. 958. zmian w zachowaniu komórki i są współzależne (Geiger i Ayalon, 1992). W związku z tym zmiany interakcji lokalnej adhezji komórkowej mogą powodować zmiany w cytoszkielecie. Podobnie, procesy różnicowania komórkowego mogą zmieniać ekspresję genów kodujących cząsteczki adhezyjne lub genów, które regulują białka cytoszkieletu. W rozdziale niniejszym szczególną uwagę zwracamy na te kompleksowe procesy oraz na cząsteczki biorące w nich udział (tab. 8.1). POŁĄCZENIA MIĘDZYKOMÓRKOWE I ADHEZJA Różne kombinacje grup komórek i tkanek w narządzie kontaktują się z sąsiadującymi partnerami oraz z ECM. ECM jest kompleksem sekrecyjnym złożonym z włókien białkowych, kolagenu i substancji galaretowatej, opisywanym w starszych podręcznikach histologicznych jako substancja podstawowa. Obecnie wiadomo, że substancja ta zawiera glikoproteiny i proteoglikany. ECM utrzymuje komórki razem dzięki zapewnieniu fizycznego wsparcia i macierzy, w której komórki mogą migrować, wzajemnie wysyłać sygnały i współdziałać między sobą. Komórki często przylegają jedna do drugiej przez kontakty bezpośrednie, znane ogólnie jako połączenia międzykomórkowe lub adhezja. Głównymi typami tkanek są tkanki: nerwowa, mięśniowa, krew, limfatyczna, nabłonkowa oraz tkanka łączna (patrz rozdz. 1). Tkanka łączna ma stosunkowo niewiele komórek i dużą objętość ECM, w której komórki te są zawieszone. Komórki nabłonka jednowarstwowego, z których zbudowana jest warstwa komórek pokrywająca takie powierzchnie ciała, jak układ pokarmowy i oddechowy przylegają w warstwach jedna do drugiej i utrzymywane są razem dzięki ścisłemu współdziałaniu. Komórki te osadzone są na cienkiej warstwie ECM nazywanej blaszką gęstą (blaszką podstawną). W nabłonku wyspecjalizowane połączenia między sąsiadującymi komórkami: 1) ułatwiają współdziałanie wewnątrzkomórkowe i komunikację; 2) umożliwiają komórkom przeciwdziałanie stresowi fizycznemu przez działanie filamentów przytwierdzonych do błon komórkowych (ryc. 8.1).

POŁĄCZENIA MIĘDZYKOMÓRKOWE / 197 Powierzchnia szczytowa Mikrokosmki Obwódka zamykająca Obwódka zwierająca Desmosom Połączenie typu neksus Sfałdowania błon Powierzchnia podstawno-boczna Ryc. 8.1. Połączenie międzykomórkowe w tkance nabłonkowej. Rycina przedstawia struktury, które ułatwiają współdziałanie i adhezję między komórką nabłonka jelitowego i sąsiednimi komórkami. Połączenie typu neksus między komórkami jest niezbędne w interakcji międzykomórkowej. Obszar określony jako obwódka zwierająca i desmosom zawierają liczne filamenty, które wzmacniają połączenia między komórkami i umożliwiają tkance dobrze znosić stresy fizyczne. (Zmodyfikowano i reprodukowano, za zgodą, wg: Krastic RV: Ultrastructure of the Mammalian Cell. Springer Verlag, 1979). POŁĄCZENIE MIĘDZYKOMÓRKOWE ZŁOŻONE Pojedyncze komórki nabłonkowe są związane z sąsiadującymi komórkami i ECM dzięki połączeniom komórkowym (tab. 8.1), podzielonym na trzy główne kategorie: 1. Połączenia zamykające lub połączenia ścisłe: tworzą one nieprzepuszczalne i szczelne zamknięcie między sąsiadującymi komórkami, co zapobiega penetracji nawet małych cząsteczek (np. jonów) między komórkami lub ich przesuwaniu z jednej strony warstwy nabłonka na drugą. 2. Połączenia zwierające (połączenia przylegania): łączą one komórki z komórkami sąsiednimi lub z ECM. 3. Połączenia komunikacyjne: jak wskazuje nazwa, połączenia te umożliwiają

198 / PODSTAWY MOLEKULARNE BIOLOGII KOMÓRKI przejście małych cząsteczek i sygnałów elektrycznych pomiędzy sąsiadującymi komórkami. POŁĄCZENIA ZAMYKAJĄCE W zainfekowanej komórce nowe cząstki wirusowe pączkują tylko z jednej błony; na przykład wirus grypy jest uwalniany ze szczytowej powierzchni, podczas gdy wirus pęcherzykowego zapalenia jamy ustnej pączkuje z podstawno- Wspólną cechą nabłonków jest to, że stanowią one selektywnie przepuszczalną barierę, która oddziela substancje rozpuszczone po jednej stronie komórki od tych po drugiej. Na przykład w komórkach nabłonkowych, które wyściełają jelito cienkie zawartość światła jest oddzielona od leżących niżej komórek i małych naczyń krwionośnych. Komórki nabłonkowe wybiórczo transportują substancje odżywcze, cukry, aminokwasy i inne substancje ze światła, przez komórkę do zewnątrzkomórkowego płynu tkanki łącznej, a stąd do krwi. Ta funkcjonalna asymetria komórki jest możliwa dzięki temu, że ma ona zróżnicowane błony komórkowe (ryc. 8.2). Powierzchnia zamykająca światło określana jako błona szczytowa aktywnie transportuje wybrane cząsteczki do komórki. Pozostałe powierzchnie składają się z dwóch części: Części bocznej błony lub powierzchni bocznej, do której sąsiednie komórki są przymocowane z obu stron. Części podstawnej błony lub powierzchni podstawnej, która kontaktuje się z płynem zewnątrzkomórkowym i ECM. Razem składniki te określane są jako błona podstawno-boczna lub jako powierzchnia podstawno-boczna. Powierzchnia podstawno-boczna: wybrane aspekty kliniczne Cząsteczki transportowane do komórki przez szczytową błonę komórkową wychodzą z niej przez powierzchnię podstawno-boczną, tym samym cząsteczki te dostarczane są do krążenia. W spolaryzowanym nabłonku wiele białek komórkowych (np. przenośniki cukrów i aminokwasów oraz pompy jonowe) jest ograniczonych do powierzchni szczytowej lub podstawno-bocznej. Wyniki badań nad infekcją komórek przez różne wirusy np. grypy i pęcherzykowego zapalenia jamy ustnej sugerują, że różne wirusowe białka błonowe są swoiście adresowane albo do szczytowej, albo do podstawno-bocznej błony komórkowej. Ryc. 8.2. Struktura i funkcja komórek nabłonka jelitowego. Elektronogram ukazuje związki pomiędzy strukturą i funkcją błon komórkowych. Szczytowa błona komórki, przykład mikrokosmka (MV), jest selektywnie przepuszczalna dla różnych substancji odżywczych wewnątrz światła jelita. Silna adhezja pomiędzy sąsiadującymi komórkami nabłonka nie dopuszcza do tego, aby zawartość światła dyfundowała między komórkami i do tkanek. (ZO = obwódka zamykająca; ZA = obwódka zwierająca; D = desmosom). (Za zgodą, wg: Janqueira LC et al.: Basic Histology, wyd. 8, Appleton and Lange. 1995, s. 1. 65).

POŁĄCZENIA MIĘDZYKOMÓRKOWE / 199 -bocznej powierzchni komórek nabłonkowych. Aby utrzymać asymetrię funkcji tj. ograniczenie białek błonowych do ich właściwej powierzchni i zapobiec nieswoistemu przechodzeniu cząsteczek ze światła jelita między sąsiednimi komórkami oraz do ECM komórki mają połączenia zamykające (rozdz. 2). Połączenia zamykające spełniają dwie zasadnicze funkcje: 1. Chronią białka błony szczytowej i podstawno-bocznej od dyfuzji między dwiema powierzchniami. 2. Uszczelniają sąsiadujące komórki, a w związku z tym chronią rozpuszczone cząsteczki od przejścia między nimi. Chociaż integralność białek błon szczytowych i podstawno-bocznych jest zawsze utrzymywana, przepuszczalność bariery dla małych cząsteczek i jonów może być bardzo znaczna. Cząsteczkowy skład połączenia zamykającego nie został dobrze wyjaśniony. Morfologicznie pojawia się ono jako płytka przylegania między zewnętrznymi listkami dwóch sąsiadujących błon komórkowych (ryc. 8.2). POŁĄCZENIE ZWIERAJĄCE Tabela 8.2. Połączenie zamykające i białka filamentów Połączenie Zwierające Desmosom Hemidesmosom Białka filamentów Filamenty aktynowe Filamenty pośrednie Filamenty aktynowe i pośrednie Połączenia zwierające przylegania także łączą ze sobą sąsiadujące komórki. W dodatku to połączenie wiąże komórki z ECM. W obu przypadkach wymaga to połączenia błony komórkowej i białek cytoszkieletu, które dają wytrzymałość na stres mechaniczny. W rezultacie połączenia zwierające występują licznie w komórkach eksponowanych na siły rozciągające, np. w komórkach naskórka i mięśnia sercowego. Scharakteryzowano trzy typy połączeń zamykających, odmiennych strukturalnie i funkcjonalnie. Są to połączenie przylegania (zwierające), desmosomy i hemidesmosomy. Połączenia te i odpowiadające im białka filamentów wymieniono w tabeli 8.2. Scharakteryzowano dwa typy połączenia przylegania: 1. Połączenia, które bezpośrednio uczestniczą w interakcjach komórka komórka. 2. Połączenia, które są zaangażowane w interakcje komórka macierz. Szczegółowa analiza biochemiczna sugeruje, że połączenia przylegania maja trzy domeny strukturalne, a mianowicie: filamenty aktynowe cytoszkieletu; płytkowe struktury, które łączą filamenty z błonami; składniki błonowe bezpośrednio zaangażowane w proces przylegania (Geiger, 1992). Chociaż połączenia te mają wiele składników wspólnych, w każdym z nich znajdują się wyspecjalizowane białka. W ten sposób jedna rodzina białek zintegrowanych z błonami katheryny jest ograniczona do połączeń międzykomórkowych, podczas gdy inna rodzina integryny niezbędna jest w tworzeniu połączeń komórka-macierz i interakcji międzykomórkowych. MIĘDZYKOMÓRKOWE POŁĄCZENIA PRZYLEGANIA W różnych komórkach połączenia typu przylegania łączą filamenty aktynowe w części korowej cytoplazmy sąsiadujących komórek; w warstwach nabłonków połączenia te tworzą strefę ciągłą, w podręcznikach histologii często nazywaną obwódką zwierającą (ryc. 8.2). Pęczki kurczliwych filamentów aktynowych biegną równolegle do błony komórkowej w nabłonkach i są przytwierdzone do pasów adhezyjnych przez zespół wewnątrzkomórkowych białek łączących, które obejmują: α-, β- i γ-kateninę; winkulinę; α-aktyninę. Katheryny Międzykomórkowe połączenia przylegania są niezbędne w utrzymaniu tkanek stałych; współdziałające ze sobą sąsiednie błony utrzymywane są razem przez transbłonowe receptory adhezyjne zależne od Ca 2+, nazywane katherynami. Cząsteczki te pełnią także ważne funkcje

200 / PODSTAWY MOLEKULARNE BIOLOGII KOMÓRKI Tabela 8.3. Typy katheryn i ich główne miejsce działania Typ katheryny Katheryna E Katheryna N Katheryna P Katheryna R Desmogleina i desmokolina Lokalizacja Komórki nabłonkowe, skóra, jajniki, łożysko, nerki Nerwy, mięśnie, komórki soczewki Łożysko, naskórek Siatkówka Mięsień sercowy, komórki nabłonkowe w rozpoznawaniu komórek i ich sortowaniu podczas rozwoju. Katheryny stanowią nadrodzinę monotypowych glikoprotein transbłonowych typu I na powierzchni komórki, których wielkość wynosi od 120 do 140 kda. Wszystkie komórki kręgowców mają zdolność ekspresji cząsteczek typu katheryna. Nazwy tych cząsteczek początkowo wywodzono od nazw tkanek, w których były one odkryte. Do dzisiaj zidentyfikowano ponad dwanaście różnych glikoprotein należących do rodziny katheryn; niektóre z nich wymieniono w tabeli 8.3. Różne polipeptydy katheryn charakteryzuje w dużym stopniu homologia sekwencji aminokwasowych: Polipeptydy katheryn mogą być podzielone na pięć ektodomen (EC1 EC5), złożonych z około 110 aminokwasów. Mają one od 52 do 73% wspólnych aminokwasów, identycznych u różnych gatunków. Dodatkowo wszystkie katheryny mają cztery niezmienne reszty cysteinowe, zamknięte w domenie transbłonowej, a w ogonku cytoplazmatycznym znajduje się także kilka motywów konserwatywnych. Identyczna struktura ektodomeny występuje również w białkach tansbłonowych desmosomów. Białka takie to desmogleiny i desmokoliny. Rola wapnia w adhezji międzykomórkowej. Połączenie katheryn z przyleganiem zwierającym wymaga wapnia, co zademonstrowano in vitro przez chelatację Ca 2+ zewnątrzkomórkowego z wykorzystaniem kwasu EGTA (kwasu etylenoglikolotetraoctowego). Powoduje to dysocjację z tkanek pojedynczych komórek, a zatem potwierdza, że adhezja międzykomórkowa jest reakcją zachodzącą za pośrednictwem wapnia. Dodatkowo, adhezja międzykomórkowa jest zależna od interakcji homofilowych między cząsteczkami katheryn, tj. cząsteczki katheryn na jednej komórce wiążą się i współdziałają z identycznymi cząsteczkami na sąsiednich komórkach. Polipeptydy, które wiążą różne cząsteczki na sąsiednich komórkach podlegają interakcjom heterofilowym. Obszary wiążące katheryny homofilowe zidentyfikowano dzięki badaniom krystalograficznym z użyciem promieni rentgenowskich X; odkrycia te dostarczyły także istotnych danych na temat, jak współdziałają katheryny w sąsiadujących komórkach. Badania owe sugerują, że w katherynie domena zewnątrzkomórkowa 1 (EC 1) z jednej komórki tworzy dimer, który współdziała z dwoma sąsiednimi dimerami 5 4 3 2 EC1 5 5 4 3 2 EC1 EC1 EC1 EC1 EC1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 Ryc. 8.3. Adhezja komórkowa za pośrednictwem katheryny. Błony komórkowe sąsiadujących komórek (ciemny pasek u góry i na dole rysunku) mają dimery katheryny wystające z powierzchni komórkowych. Mocno związane dimery w ustawieniu antyrównoległym tworzą wzdłuż linii adhezji komórkowej suwak katherynowy. Uważa się, że końcowa domena EC1 katheryny ma aktywność adhezyjną. (Zmodyfikowano i reprodukowano, za zgodą, wg: Gumbiner B: Cell Adhesion. Cell 1996; 84: 24 Copyright 1993 Cell Press). 4 3 2

POŁĄCZENIA MIĘDZYKOMÓRKOWE / 201 EC 1 o antyrównoległej orientacji przez adhezyjne domeny wiążące, tworząc w ten sposób ciągły suwak katherynowy w strefie kontaktowania się komórek (ryc. 8.3). Kateniny Katheryny są białkami transbłonowymi, które pośredniczą we współdziałaniu cytoszkieletu aktynowego komórek, które łączą razem. Jednak same katheryny nie wiążą się bezpośrednio z aktynowym cytoszkieletem korowej części cytoplazmy; białka łączące nazywane kateninami wiążą koniec karboksylowy katheryny do fialmentów aktynowych. Znane są przynajmniej trzy kateniny α, β i γ. Współdziałanie między cząsteczką katheryny i kateninami jest niezbędne do adhezji komórki. Wykazano, że α-katenina ma in vitro zdolność wiązania aktyny. Transfekcja komplementarnego DNA kodującego α-kateninę do komórek w hodowli tkankowej, w której brak tego białka może indukować tworzenie ściśle przylegających komórek nabłonkowych. α-katenina jest spokrewniona z winkuliną, polipeptydem, który wiąże białka błonowe do aktynowego cytoszkieletu części korowej cytoplazmy w miejscach współdziałania komórka komórka oraz komórka ECM. β-katenina wydaje się mniej istotna dla adhezji komórki niż α-katenina. β-katenina wiąże α-kateninę do ogonka karboksylowego katheryn; α-katenina sama nie współdziała bezpośrednio z cząsteczkami katheryny. Ostatnio wykazano, że β-katenina: 1. Jest substratem dla kilku kinaz tyrozynowych, które hamują adhezję komórkową. 2. Współdziała z receptorem naskórkowego czynnika wzrostu. Te odkrycia angażują β-kateninę w regulację adhezji komórkowej. Ta domniemana rola regulatorowa może wpływać na współdziałanie międzykomórkowe za pośrednictwem katheryny podczas rozwoju embrionalnego. Ustalono, że segregacja tkanek embrionalnych koreluje z ekspresją różnych genów katheryny. Modelowanie embrionalne: gen Armadillo. Gen β-kateniny jest w ~70% identyczny z genem polarności segmentów u Drosophila nazywanym Armadillo. Gen ten należy do rodziny genów, które kodują białka potrzebne do określenia losu komórki w czasie wczesnego rozwoju embrionalnego. Podobnie β-katenina zaangażowana jest w regulację formowania embrionu u żaby Xenopus laevis i częściowo odpowiada za regulację tworzenia grzbietowo-brzusznej osi ciała. Obserwacje te oraz fakt, że β-katenina może być fosforylowana na resztach tyrozynowych prowadzą do konkluzji, iż β-katenina może regulować współdziałanie katheryna katenina. WSPÓŁDZIAŁANIE KOMÓRKA MACIERZ Połączenia za pomocą desmosomów W przeciwieństwie do połączeń przylegania desmosomy wiążą cytoszkieletowe filamenty pośrednie z błoną komórkową (rozdz. 7). Działając w sąsiadujących komórkach desmosomy oraz filamenty pośrednie tworzą sieć ciągnącą się przez całą tkankę, a sieć ta daje tkance wytrzymałość na rozciąganie. W większości komórek nabłonkowych z desmosomami połączone są filamenty cytokeratynowe. W komórkach mięśnia sercowego główne białka filamentów pośrednich stanowią filamenty desminowe. Białka te łączą miofibryle w układ kanalików mięśnia sercowego. Cytoplazmatyczne białka między filamentami związane są z kompleksem wewnątrzkomórkowych białek płytki związanej z cytoplazmą desmoplakiną i plakoglobiną. Współdziałają one z cytoplazmatycznym ogonkiem białek transbłonowych. Przedstawicielami rodziny katheryn są także transbłonowe białka łączące w desmosomach, czyli desmogleina i desmokolina. Mimo że ektodomeny tych białek i katheryn są homologiczne, sekwencje aminokwasów ich ogonków cytoplazmatycznych różnią się. Po części są to sekwencje w obszarze karboksyterminalnym ogonka, które nadają swoistość wiązania białkom filamentów pośrednich przeciwko aktynie. Połączenia desmosomalne: wybrane zagadnienia kliniczne Kliniczne znaczenie współdziałania filamentów pośrednich i desmosomów w utrzymaniu integracji tkanek przejawia się w kilku formach potencjalnie śmiertelnej choroby skóry pęcherzycy. Jest to choroba genetyczna, która prowadzi do powstawania różnych form pęcherzy skórnych. Pacjenci, u których występuje jedna z odmian tej choroby pemphigus vulgaris (pęcherzyca zwykła), wytwarzają autoprzeciw-

202 / PODSTAWY MOLEKULARNE BIOLOGII KOMÓRKI ciała skierowane przeciw desmogleinie-3. Mają oni groźne pęcherze skórne, które wynikają z braku adhezji międzykomórkowej we wczesnych stadiach różnicowania keratynocytów w komórkach epidermalnych. Inna forma choroby, pemphigus foliaceus (pęcherzyca liścista), wywołana jest przez autoprzeciwciała skierowane przeciw desmogleinie-1; groźne pęcherze pojawiają się jako wynik niepełnej adhezji międzykomórkowej w późniejszych stadiach różnicowania komórek naskórka. Dane o fenotypach pacjentów z tymi chorobami dostarczyły genetycznych dowodów na to, że desmosomy wspólnie z filamentami pośrednimi dają siłę mechaniczną i naprężeniową utrzymującą nabłonek w stanie nienaruszonym. HEMIDESMOSOMY S-S Integryna Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Podjednostka α Strona cytoplazmatyczna COOH Podjednostka β Strona zewnątrzkomórkowa Błona komórkowa Morfologicznie hemidesmosomy mają podobne pochodzenie do desmosomów, lecz ich biochemia i funkcja są odmienne. Hemidesmosomy łączą podstawne błony plazmatyczne komórek nabłonkowych z blaszką podstawną, cienkim paskiem ECM, na którym ułożone są komórki; w ten sposób hemidesmosomy pobudzają współdziałanie komórka macierz. W przeciwieństwie do desmosomów białka transbłonowe, które wiążą komórki z ECM, należą raczej do receptorów rodziny integryn niż do katheryn (patrz ryc. 1.3). INTEGRYNY Integryny są heterodimerycznymi receptorami, tj. mają dwie podjednostki związane niekowalencyjnie: Podjednostkę α (~1000 aminokwasów). Podjednostkę β (~750 reszt). Każda podjednostka jest typem transbłonowych glikoprotein I. Integryny obejmują rodzinę co najmniej 20 różnych receptorów o rozmaitej swoistości. Niektóre integryny wiążą tylko pojedyncze komponenty ECM, np. fibronektynę, kolagen lub lamininę. Inne integryny współdziałają z kilkoma polipeptydami (tab. 8.1). W przeciwieństwie do receptorów dla hormonów, które mają wysokie powinowactwo i jest ich mało, integryny wykazują niskie powinowactwo, lecz Domeny transbłonowe COOH Ryc. 8.4. Adhezja komórkowa za pośrednictwem integryny. Na wykresie integryna wystaje z błony komórkowej ku górze. Wiązanie dwuwartościowego kationu Ca 2+ powoduje, że obszary końca N dwóch podjednostek białkowych wiążą się wzajemnie oraz wiążą się z macierzą zewnątrzkomórkową. (Zmodyfikowano i reprodukowano, za zgodą, wg: Nermut MV et al.: Electron microscopy and structural model of human fibronectin receptor. EMBO J 1988; 7: 4093). jest ich dużo. Oznacza to, że mogą one wiązać się słabo do kilku różnych, spokrewnionych cząsteczek macierzy. Te własności pozwalają integrynom przyczyniać się zarówno do interakcji międzykomórkowych, jak i do wiązania komórka macierz. Czynniki komórkowe mogą współdziałać z integrynami lub modyfikować swoistość wiązania integryn, ponieważ niektóre z nich wykazują swoiste wiązanie liganda do komórki. Jednym z czynników niezbędnych do funkcjonowania receptorów integryn jest obecność kationów dwuwartościowych Ca 2+ lub Mg 2+ zależnych od poszczególnych integryn. Dodatkowo, ligandami dla kilku integryn są liczne białka macierzy, np. osiem izoform integryny współdziała z fibronektyną, a przypuszczalnie

POŁĄCZENIA MIĘDZYKOMÓRKOWE / 203 tylko niektóre z nich wiążą się z motywem RGD (Arg Gly Asp) (ryc. 8.4). Integryny: wybrane aspekty kliniczne Jak sugeruje nazwa, integryny integrują i przenoszą sygnały z ECM do cytoszkieletu dzięki swojemu transbłonowemu położeniu. Rodzinę integryn sklasyfikowano na podstawie ich łańcuchów β. Opisano dziewięć oddzielnych polipeptydów. Ponieważ składają się one z co najmniej 14 podjednostek α, które mogą wiązać więcej niż jeden łańcuch β, możliwa jest ogromna różnorodność swoistości ligandów. Niektóre integryny obecne są w wielu komórkach (np. receptory fibronektyny α 5 β 1 i integryny α 6 β 4, które wiążą się z laminą w błonie podstawnej). Jednak liczne integryny są swoiste dla komórki. Integryna α L β 2 (znana także jako integryna związana z funkcją limfocytów) jest obecna tylko w limfocytach. Integryny, które mają podjednostki β 2 występują wyłącznie w komórkach krwinek białych. Umożliwiają one komórkom łączenie się i penetrację do komórek nabłonkowych, które wyściełają naczynia krwionośne w miejscach infekcji. W płytkach krwi także zachodzi ekspresja integryn β 2, które odgrywają rolę w wiązaniu fibrynogenu, czynnika von Willebranda i fibronektyny podczas krzepnięcia krwi; takie wiązanie pomaga w adhezji płytek i agregacji wokół skrzepu. Pacjenci, u których występuje defekt w podjednostkach α 2 /β 3 mają prawidłową liczbę płytek, lecz stwierdza się u nich nieprawidłową krzepliwość i krwawienia; objawy takie opisywane są jako choroba Glanzmanna (czynnościowa niewydolność płytek krwi). U pacjentów chorujących na jedną z chorób pęcherzowych (pemfigoid) występują autoprzeciwciała, które prowadzą do destrukcji błony podstawnej hemidesmosomów i w związku z tym do braku połączeń komórkowych. Większość integryn oddziałuje na cytoplazmatyczny koniec karboksylowy białek wiążących aktynę w części korowej cytoplazmy. Podczas wiązania ligandu podjednostki β integryn współdziałają z taliną i α-aktyniną, które z kolei inicjują montaż innych białek wiążących, a te przyłączają integryny do filamentów aktynowych. To transbłonowe wiązanie do cytoszkieletu jest istotne dla komórek wiążących się z ECM. Interakcje takie stanowią także inną drogę szlaków sygnalizacyjnych; np. filamenty aktynowe mogą zmieniać orientację wydzielanych cząsteczek fibronektyny w ECM. Dodatkowo, uszkodzenie cytoszkieletu aktynowego przez leczenie cytochalazyną powoduje dezorganizację wydzielania filamentów fibronektyny, które prawidłowo ustawiają w szeregu wewnątrzkomórkowe włókienka naprężeniowe. Odwrotnie, ECM może całkowicie wpływać na organizację cytoszkieletu w komórkach docelowych (tab. 8.1). Procesy sygnalizacyjne za pośrednictwem integryn będą omówione szczegółowo w rozdziale 10. POŁĄCZENIA TYPU NEKSUS (POŁĄCZENIA JONOWO- -METABOLICZNE) Połączenia typu neksus (połączenia jonowo-metaboliczne) są najliczniejszymi połączeniami komórkowymi. Występują w większości tkanek u wszystkich gatunków (ryc. 8.1). Opis pochodzący z mikroskopu elektronowego ukazuje to połączenie jako wstawkę (łatkę) między sąsiadującymi komórkami, gdzie odpowiednie błony komórkowe są oddzielone wąską szczeliną o szerokości 2 4 nm. Szczelina składa się z białek tworzących kanał, który pozwalają na selektywny transport małych cząsteczek o masie do około 1000 daltonów, np. jonów i metabolitów o niskiej masie cząsteczkowej. Połączenia typu neksus mogą pośredniczyć w połączeniu elektrycznym i metabolicznym między komórkami. Takie interakcje są wyraźnie potrzebne komórkom do odpowiedzi na lokalne zmiany w środowisku, szczególnie podczas rozwoju. Pojedyncze podjednostki białkowe każdego połączenia typu neksus, nazywane koneksynami (m.cz. 26 000 54 000), zaaranżowane są jako struktura podobna do pierścienia, złożona z sześciu identycznych podjednostek; każda z podjednostek nazywana jest koneksonem (ryc. 8.5). Ustawienie dwóch koneksonów z dwóch sąsiadujących komórek powoduje utworzenie kanału wodnego, przez który mogą przechodzić małe cząsteczki (< 1000 daltonów). W mikrografii elektronowej wykonanej techniką freeze fracture połączenia typu neksus charakterystycznie pojawiają się jako klastry (grupy) cząstek wewnątrzbłonowych. Pory wodne tego połączenia o średnicy ~ 1,5 nm nie są stale otwarte, w ten sposób regulują przepływ jonów i małych cząsteczek. Podobnie do kanałów bramkowa-

204 / PODSTAWY MOLEKULARNE BIOLOGII KOMÓRKI Cytoplazma presynaptyczna 3,5nm 20nm Cytoplazma postsynaptyczna A Kanał utworzony przez pory w każdej z błon 6 podjednostek koneksyny = 1 konekson Zamknięty Otwarty (półkanał) Strona zewnątrzkomórkowa 1 2 1 6 6 2 3 5 4 5 3 4 Prawidłowa przestrzeń zewnątrzkomórkowa Strona cytoplazmatyczna B Strona zewnątrzkomórkowa Strona cytoplazmatyczna C Pętle zewnątrzkomórkowe dla interakcji homofilowych Regulacyjne pętle cytoplazmatyczne Każda z 6 koneksyn posiada obszar 4-krotnie przechodzący przez błonę Ryc. 8.5. Połączenie typu neksus. Model synapsy przedstawia komunikację wewnątrzkomórkową za pośrednictwem kanałów białkowych. Każda z dwóch komórek wymaga (A) dostarczenia połowy kanału komunikacyjnego (półkanału). Każdy półkanał, czyli konekson (B) składa się z sześciu podjednostek koneksyny. Ułożenie podjednostek wpływa na to, czy półkanał jest otwarty czy zamknięty. Komunikacja między komórkami zachodzi, gdy oba półkanały są otwarte. Pokazano także położenie każdej podjednostki koneksynowej wewnątrz błony komórkowej (C). (Zmodyfikowano i reprodukowano wg: Kandel ER et al.: Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton and Lange, 1995, s. 190). nych napięciem, połączenia jonowo-metaboliczne mogą szybko oscylować między stanem otwarcia i zamknięcia. Pojedyncze polipeptydy koneksyny przypuszczalnie są poddawane odwracalnym zmianom konformacji, które wyjaśniają mechanizm otwierania i zamykania kanału. Podobnie jak w przypadku wielu składników komórkowych, połączenia typu neksus uznawano na podstawie zdjęć z mikroskopu elektronowego za struktury statyczne, okazało się jednak, że w rzeczywistości są one strukturami bardzo dynamicznymi.