Молекулярні компоненти, що утворюють адгезивні міжклітинні контакти
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича
факультет біології, екології та біотехнології
Кафедра біохімії та біотехнології
Курсова робота
Молекулярні компоненти, що утворюють адгезивні міжклітинні контакти
Виконав студент 3-го курсу
заочної форми навчання
Галамейко Павло Васильович
Науковий керівник:
к.б.н, доц. Васіна Л. М.
Чернівці 2012р.
ВСТУП
Молекулярні компоненти міжклітинних адгезивних контактів, а саме, кадгерини і катеніни, утворюють складні багатошарові тканини з окремих однотипних клітин, та дозволяють обмінюватись інформацією між ними. Їх регульована експресія є важливою у морфогенезі тому, що здійснює контроль над мобільністю клітин та формуванні клітинних пластів в ембріогенезі, а також під час регенерації тканин.
Взаємодія кадгеринів, катенінів, проміжних і актинових мікрофіламентів призводить до утворення цитоскелету, який надає клітинам і тканинам певної стійкої форми, та дозволяє витримувати навантаження необхідне для виконання тканинами їхніх функцій. Найяскравішим прикладом є шкірний епітелій, в якому міжклітинні контакти утворені за типом десмосом, що забезпечують йому високу щільність і міцність.
Порушення їхніх функцій зумовлює виникнення серйозних патологій таких як дисплазії, які є початковими стадіями онтогенезу.
Метою даної роботи є аналіз сучасних літературних даних, щодо молекулярних компонентів, які задіяні в утворенні міжклітинних контактів.
1. Молекулярні компоненти, що утворюють адгезивні міжклітинні контакти
Молекулярними компонентами які утворюють адгезивні міжклітинні контакти є кадгерини, які утворюючи комплекс з катенінами взаємодіють з іншими елементами цитоскелета. Іншими словами кадгерини відповідають за організацію цитоскелета клітини.
Кадгнрини появляються в основному при початковій міжклітинній адгезії на стадії морфогенеза і органогенеза. Кадгерини забезпечують структурну цілісність тканин (особливо епітеліального моношару).
1.1 Кадгерини
Кадгерини - це основний клас молекул клітинної адгезії, які забезпечують кальцій-залежні гомофільні контакти клітин в щільних тканинах організму (створюють контакти тільки в присутності іонів кальція Са2+ ). Родина кадгеринів - це структурно однорідні молекули, які складаються з 723-748 амінокислотних залишків. Ступінь гомології кадгеринів з різних тканин досягає 50-60%.
Окрім участі в механічному контакті клітин одна з одною, важливі для розвитку організму утворення шарів і груп клітин, впізнавання клітинами одна одної, передача сигналів.
Класичні кадгерини - це перші кадгерини, виділені в окремий субтип. По структурі класичний кадгерин являє собою трансмембранный протеїн, який існує в формі паралельного димера (малюнок 1) [2,5,12].
1.1.1 Структура
·Структура класичних кадгеринів:
В структурі класичних кадгеринів виділяють дві частини: екстрацелюлярна і цитоплазматична.
·Структура екстрацелюлярної частини:
Класичні кадгерини поділяють на два типи - І і ІІ. Екстрацелюлярна частина обох типів складається з пяти повторюваних доменів, які позначають як ЕС-1-5, в залежності від віддаленості домена від Н-терміналя.
Домен EC-1 (повторюваний домен який максимально віддалений від клітини), відповідає за специфічність утворення контактів, тобто клітини можуть вступати в контакт тільки з клітинами, які експримірують ідентичний кадгерин, однак в деяких випадках також можливі гетерофільні контакти між класичними кадгеринами.
Специфічність утворення контактів між клітинами дуже важлива для розвитку організму, а саме для формування тканин з клітин . Інші EC домени можуть взаємодіяти з різними партнерами, тим самим забезпечуючи унікальну функціональність кагеринів. Наприклад домен EC4 може взаємодіяти з рецептором фактора росту фібринобластів (FGFR).
·Структура цитоплазматичної частини:
Цитоплазмптична частина кадгеринів є концервативною. Для кожного субтипу характерна своя структура . Цитоплазматична частина протеїну зєднана з бета-катеніном (плакоглобіном) і білком р 120, який стабілізує кадгерин на поверхні клітини. Бета-катенін зєднує цитоплазматичну частину кадгерина з альфа-катеніном. Останній зєднаний з актином цитоплазматичного скелету.
Перераховані протеїни утворюють стабільний кадгерин-катенін комплекс. До цього комплексу приєднуються деякі інші біли, роль яких поки що не досліджена.
·Розповсюдження серед груп живих організмів:
Кадгерини важливі як для простих, так і для складних організмів. Окрім хребетних, комах і нематод, кадгерини зустрічаються також в одноклітинних організмах, наприклад в хоанофлагелятах, єукаріотичних організмах, наприклад гідрах, в губках, наприклад Oscarella carmela [5,8,12].
1.1.2 Класифікація кадгеринів
- Субтип: Касичні кадгерини включає в себя 4 субкласи:
Тип 1:
) Е-кадгерини, знайдені в епітеліальних клітинах і відомі як увоморулін, клітинна молекула адгезії (CAM 120/80 або L-CAM);
) N-кадгерини, знайдені в зрілій нервовій і мязовій тканинах і відомі як А-CAM;
3) Р-кадгерини, знайдені спочатку в плаценті й епітеліальних клітинах, але транзиторно єкспресовані й іншими тканинами в процесі розвитку;
Тип 2:
4) VE-кадгерин.
- Субтип: десмосомальні кадгерини
Десмоколін, десмоглеїн;
Субтип: атипові кадгерини
Т-кадгерин, LI-кадгерин;
Субтип: прото-кадгерин
CNRs, AXPC, PAPC;
Субтип: асоційовані з кадгеринами сигнальні протеїни
FAT, Flamingo[2,8,11,12,14];
1.1.3 VE-кадгерин
По функціях і місцезнаходженні кадгерин судинного ендотелію був названий VE-кадгерином. Ген VE-кадгерина експресується виключно в ендотеліальних тканинах. VE-кадгерин зумовлює гомофільну кальцій-залежну адгезію і злипання клітини з клітиною, що зменшує міжклітинну проникність для молекул з високою молекулярною масою і ступінню міграції клітин через пошкоджену ділянку.
Таким чином, VE-кадгерин може грати важливу роль в функціонуванні ендотелію, контролюючи утворення міжклітинних адгезивних контактів. VE-кадгерин необхідний нейтрофілам для подолання ендотеліального барєра. VE-кадгерин - трансмембранний білок, внутрішньоклітинний домен якого взаємодіє з цитоплазматичними білками, які називаються катенінами, що передають адгезивний сигнал після активації. Экстрацелюлярного домена VE-кадгерина достатньо для ранніх стадій адгезії клітини й розпізнавання.
Проте взаємодія VE-кадгерина з цитоскелетом через цитоплазматичний домен є необхідним для забезпечення сили і зчеплення молекул адгезії. Специфічні молекули клітинної адгезії типу VE-кадгерина втягнуті в подальші події диференціювання ендотеліальних клітин, апоптоз и ангіогенез. Імунохімічними методами експресія VE-кадгерина була описана для деяких пухлин типу гемангіом, гліобластом и саркоми Капоші[12,14].
1.1.4 Роль Т-кадгерина в регуляції росту кровоносних судин
Формування і наростання тяжкості атеросклеротичних уражень зумовлено інтенсивним ростом кровоносних судин в адвентиції і самих ураженнях. Ключовими регуляторами росту і дозрівання судин є кадгерини. Клітини серцево-судинної системи, включаючи ендотелій, серицити і гладкомязові клітини (ГМК), містять VE-кадгерин і N (R)-кадгерин , які забезпечують взаємодію клітин судинної стінки одна з одною і підтримують її цілісність.
Клітини артеріальної стінки, окрім відомих кадгеринів, містять нетиповий представник каднеринового сімейства - Т-кадгерин , який на відміну від класичних кадгеринів закріплений в плазматичній мембрані глікозилфосфатіділінозитольного (ГФІ) якоря і не має трансмембранного і цитоплазматичного домену . Така структурна особливість свідчить про те, що Т-кадгерин не бере участі в міжклітинній адгезії, я ймовірно грає роль сигнального рецептора на поверхні клітини .
Нами встановлено, що в ГМК артеріальної стінки Т-кадгерин спричиняє гормоноподібну сигнальні ефекти ліпопротеїдів низької щільності (ЛПНЩ) . Крім цього, на клітинах судинної стінки Т-кадгерин також є рецептором високомолекулярних комплексів адипонектина . Цей білок являється унікальним адипоцитарним гормоном, який бере участь в регуляції обміну ліпідів і глюкози . Адипонектин також здатен пригнічувати ріст клітин артеріальної стінки і запобігати її ремоделюванню при формуванні атеросклеротичних уражень чи після балонної ангіопластики [3].
Гіперекспресія Т-кадгерина в ендотеліальних клітинах вени пуповини людини (HUVEC) викликає зміни цитоскелета в цих клітинах і збільшує їх міграційну активність. При дослідженні каскадів внутрішньоклітинної сигналізації, зумовлюючих ефекти Т-кадгерина, виявлено, що гомофільні взаємодії між молекулами цього білка, які розміщені на сусідніх ендотеліальних клітинах, призводить до активації малих звязуючих GТР білків, RhoA/ROCK і Rac з наступною реорганізацією активного цитоскелета і формуванням стрес-фібрил.
Експресія Т-кадгерина в ендотеліальних клітинах, ГМК і перицитах артеріальної стінки збільшується при наростанні тяжкості атеросклеротичних уражень. Окрім цього, на моделі балонної ангіопластики сонної артерії щура було встановлено, що пізні стадії формування неоінтими також супроводжується підвищенням експресії Т-кадгерина клітинами судинної стінки.
Збільшення експресії Т-кадгеринів в vasa vasorum адвентиції пошкоджених судин при рестенозі і атеросклерозі, а також при неоангіогенезі, який супроводжує пухлинний ріст, свідчить про те, що Т- кадгерин може являтися одним із регуляторів патологічного ангіогенеза.
Це дослідження було присвячене зясуванню ролі Т-кадгерина в регуляції росту кровоносних судин. На моделі ангіогенеза в підшкірному імплантаті матригеля було зясовано, що Т-кадгерин пригнічує ріст кровоносних судин. Результати експериментів in vitro дозволяють припустити, що ефект зумовлений гомофільною взаємодією молекул Т- кадгерина на поверхні ендотеліальних клітин і стромі матригеля, що зумовлює пригнічення міграції цих клітин [3].
1.2 Катенін
Катенін - це білок який який знаходиться в комплексі з кадгеринами - молекулами клітинної адгезії в клітина тварин. Перші два вивчені види катеніна отримали назви α-катенін і β-катенін. α-катенін може звязуватись з β-катеніном і актином. β-катенін звязується з цитоплазматичним доменом деяких кадгеринів [1,2,5]. (малюнок 2).
Також були відкриті допоміжні γ-катенін і δ-катенін. Назва білка походить від латинського «катена» - ланцюг (лат. catena), так як вважалось, що катенін приєднує кадгерин до цитоскелету.
1.2.1 Класифікація і функції
Типи:
·α-катенін
·γ-катенін
·δ-катенін
Функції катеніна і кадгерина
Клітини ембріональної ракової пухлини F9, створені з допомогою генної інженерії і позбавлені β-катеніна, подібні зі звичайними клітинами і в нормі сполучені клітинними контактами, які зумовлені Е-кадгерином. Проте через відсутність β-катеніна з Е-кадгерином зєднюється більше плакоглобіна.
В клітинах які не мають ні β-катеніна, ні плакоглобіна, на поверхні клітин є тільки невелика кількість Е-кадгерина і α-катеніна. У мишей позбавлених β-катеніна, утворюються дефектні ембріони. Якщо β-катенін у миші відсутні в клітинах ендотелію, то спостерігаєьбся порушення клітинних контактів між клітинами судинного ендотелію. Миші позбавлені плакоглобіну, мають порушення клітинних контактів у багатьох тканинах, хоча β-катенін може заміняти плакоглобін в багатьох контактах.
Кератиноцити без α-катеніна також позбавляються клітинних контактів. Пухлинні клітини з дефективним δ-катеніном, низьким рівнем експресії Е-калгерина й слабкими міжклітинними контактами можливо повернути до норми, збільшивши кількість функціонального δ-катеніна.
В геномі людини білок β-катенін кодується геном CTNNB1 [5,7,8].
1.2.2 Катенін р120 і його вплив на кишечник
Встановлено, що білкова речовина катенін р120 вкрай необхідна для підтримки на достатньому рівні бар'єрної функції товстого і тонкого кишечнику, а також для збереження структури його стінки і запобігання запаленню.
Нещодавно було виявлено, що кадгерини впливають не тільки на розвиток і ріст тканини, а й на можливість появи в ній пухлин. При порушенні функції Е-кадгерину можуть спостерігатися деякі форми раку шлунка і молочних залоз, патологія простати, запалення слинних залоз і т.д. Вважається також, що Е-кадгерини здатні гальмувати розвиток не тільки пухлин, а й їх метастазів.
Крім кадгеринів на поверхні клітин знаходяться регуляторні білкові речовини - катеніни. Найбільшою активністю з них володіє катенін р120. Він впливає на міжклітинну взаємодію шляхом модулювання властивостей кадгеринів [9].
Зокрема, активуючи ряд ферментів, катенін р120 посилює взаємодію кадгеринів з компонентами цитоплазми (точніше з цитоскелетом). Якщо заблокувати цей катенін хімічними речовинами, то виникає дестабілізація всіх видів кадгерінів. І навпаки, при блокуванні окремих кадгерінів істотно зростає активність катеніну р120. На превеликий жаль, багато сторін біологічної ролі катенінів досі практично не вивчені.
Кілька років тому в науковій літературі з'явилися дані про те, що порушення діяльності кадгеринів і катеніну р120 спостерігаються при запальних захворюваннях кишечнику, у тому числі при такій серйозній патології, як хвороба Крона і виразковий коліт [9].
У механізмі розвитку цих захворювань велике значення має автоімунний компонент, тобто посилення імунної агресії проти власних клітин кишечника. Результатом цього стає запалення кишкової стінки і різке збільшення проникності слизової оболонки кишечнику.
Внаслідок цього, кишечник всмоктує великі фрагменти білкових молекул їжі, сприяючи формуванню харчової алергії, що підсилює, у свою чергу, ураження кишечнику. Паралельно спостерігається зміна бактеріального спектру кишкового вмісту (дисбактеріоз), які поглиблюють запалення (ентерит і коліт).
Групою вчених з США під керівництвом Whitney G. Smalley-Freed було проведено експериментальне дослідження впливу катеніну р-120 на стан кишкової стінки і функцію кишечника. Для цього шляхом впливу на генетичний апарат були отримані лабораторні тварини з дефіцитом катеніну р120 в різних відділах кишечника, що дозволило не лише простежити за ходом розвитку запалення в шлунково-кишковому тракті, а й охарактеризувати всі його етапи та наслідки (структурно-функціональні зміни)[9].
Вченим вдалося встановити, що за відсутності катеніну р120 в епітелії слизової оболонки тонкого та товстого кишечника завжди спостерігається розвиток важкого запалення його стінки, поява її кровоточивості, утворення дефектів тканини (виразок) і смерть тварин через 3 тижні.
Ретельний аналіз показав, що дефіцит цього катеніну вкрай негативно позначається на бар'єрній функції кишкової стінки і провокує переміщення мікрофагів (нейтрофілів) крові до cлизової оболонки кишки, після чого починає формуватися її серйозне запалення.
Таким чином, доведено, що порушення діяльності катеніну р120 різко дестабілізує функцію тонкого та товстого кишечнику, змінює його бар'єрні властивості і провокує розвиток тяжких запальних процесів в ньому. Дані відомості можна використовувати для розробки нових способів ефективного лікування шлунково-кишкової патології [9].
1.3 Актинові мікрофіламенти
Актинові мікрофіламенти - це нитки діаметром 6нм, вони є результатом полімеризації глобулярного актина - G- актина, що в присутності АТФ з'єднуються один з одним в довгі ланцюги. Вони подовжуються з одного кінця і коротшають при відщепленні актинових глобул з іншого. Мережа мікрофіламентів розташовується безпосередньо під плазмолемою багатьох эукаріотичних клітин.
Так, в оболонці еритроцитів вона прикріпляється до тих, що пронизують мембрану білкам і визначає не лише специфічну форму цих клітин, але і гнучкість, що дозволяє проходити їм по найвужчих капілярах. Клітини кишкового епітелію мають близько 1000 мікроворсинок, тих, що збільшують всмоктуючу поверхню кишечника. У кожній мікроворсинці міститься транспортна система, що забезпечує проникнення поживних речовин в клітину[5,10].
Ця система є пучком микрофиламентов, пов'язаних з тими, що пронизують плазмолему білками, так і з горизонтальною мережею мікрофіламентів. Таким чином, пучок мікрофіламентів виконує також і функцію арматурного стержня, що надає стійкість мікроворсинці.
Актинові філаменти грають ключову роль в скорочувальному апараті м'язових і нем'язових клітин, а також беруть участь у багатьох інших клітинних процесах, таких як рухливість, підтримка форми клітин, цитокінез.
2. Молекулярні компоненти, які задіяні в клітинних контактах типу десмосоми
Десомосома - тип міжклітинних контактів, що характеризується наявністю біля плазматичної мембрани білкової пластинки прикріплення, до якої із цитоплазматичного боку приєднуються проміжні філаменти. Десмосоми сполучають клітини між собою, як заклепки, забезпечуючи механічну міцність тканин.
2.1 Десомосоми
Десомосоми - це переважно круглі ділянки з'єднання клітин, що нагадують заклепки, із діаметром близько 0,5 мкм. Відстань між мембранами у десомосомі становить 25-30 нм, щілина між ними заповнена електронно-щільною речовиною, а саме білками десмоглеїном та десмоколіном. Обидва належать до родини молекул клітинної адгезії кадгеринів [12], для них характерна наявність п'яти тандемних позаклітинних доменів. Молекули десмоглеїну та десмоколіну комплементарні між собою, у присутності іонів кальцію десмоглеїн на поверхні однієї клітини зв'язується із десмоколіном на сусідній і навпаки, таким чином вони зчеплюють клітини за принципом липучки [12].
У ділянці десмосоми до плазматичної мембрани з внутрішньої сторони прилягає пластинка прикріплення, що має товщину близько 40 нм і складається з якірних білків. Пластинка прикріплення поділяється на дві частини: зовнішню, розташовану ближче до мембрани, та внутрішню, повернуту до цитоплазми.
До складу зовнішньої пластинки прикріплення входять внутрішньоклітинні домени кадгеринів, а також білки, що містять домени armadillo, плакоглобін (родина β-катенінів) та плакофілін (родина p120-катеніну). Внутрішня частина пластинки прикріплення складається із десмоплакіну - великого білка із глобулярними N- та C-кінцевими доменами, розміром у 1000 амінокислот, розділеними центральною α-спіраллю, приблизно такої ж довжини.
Десмоплакін формує димери на основі утворення подвійної спіралі (англ. coiled coil) внаслідок взаємодії центральних доменів. N-кінцеві ділянки цих димерів контактують із плакофіліном, а N-кінцеві - із мотузкоподібними проміжними філаментами. Частина проміжних філаментів розташовується паралельно до мембрани, інші наскрізь перетинають клітину. Їх конкретний тип різниться в залежності від тканини: в епітелії це кератинові філаменти, у серцевому м'язі - десмінові [12].
2.2 Проміжні мікрофіламенти
Проміжні філаменти - це елементи цитоскелету <#"justify">2.2.1 Структура
На відміну від інших елементів цитоскелету <#"justify">2.2.2 Основні типи
Всі білки <#"justify">Периферійні нейрони <#"justify">Таким чином є: кератинові філаменти, вемінтиноподібні філаменти, нейрофіламенти, філаменти ядерної ламіни [5,13].
2.2.3 Білки проміжних філаментів
Білки проміжних філаментів клітини число M, kD тип
кислі кератини эпит >15 40-57 I
основні кератини эпит >15 53-67 II
десмин мишей 1 53 III
кислий фібриллярний білок глиальн, астроциты 1 50
виментин мезенх, нек эпит 1 57
периферин нервовий 1 57
білки нейрофіламентів: аксони і дендрити IV
NF-L 1 62
NF-M 1 102
NF-H 1 110
інтернексин ЦНС 1 66
нестин эпит нервової тканини 1 240
ламін A ядра всіх клітин 1 70 V
ламін B 1 67
ламін С 1 67
септомерний мономер паралельний димер антипараллельный тетраметр протофіламент протофибрила ПФ
проміжні філаменти [15].
d=10нм, (цитокератини, десмін, віментин, кислий фибриллярный гліапротеїн (GFAP), нейрофіламент) складаються з базової стрижневої структури - суперспіралізована спіраль, такі димери ассоціюють антипаралельно, формуючи тетрамер, агрегація тетрамерів «голова до голови» дає протофіламент, 8 протофіламентов формують проміжне волокно; полімеризація веде до утворення стійких неполярних полімерних молекул.
білки звязані с ПФ
білок M, kD локалізація
BPAG1 230 напівдесмосоми
плакоглобін 3 десмосоми
десмоплакін I 250 десмосоми
десмоплакін II 215 десмосоми
плектин 300 кортекальна зона
анкирин 140 кортекальна зона
філаггрин 30 цитозоль
рецептор B-ламіна 58 ядро
У мутантів мишей вдсутній виментин, миші при цьому живуть нормально.
В рослинних клітинах цитоскелет являє собою мікротрубочками і мікрофіламентами, проміжних філаментів не має, проте є ламіни [15].
Узагальнення
Отже молекулярні компоненти, що утворюють міжклітинні адгезивні контакти відіграють ключову роль в формуванні тканин. Зокрема шкірного епітелію, нервової, мязової (зокрема серцевий мяз), сітківки ока, ендотелію судин та кишечника.
Також важливою функцією кадгеринів є здійснення контролю над мобільністю клітин під час формування тканин в ембріогенезі.
катенін білок кадгерин актиновий
Список використаних джерел
1. Байгильдина А.А., возможние источники циркулирующих в крови ендотелиальних клеток./ Байгильдина А.А., Лебедева А.И., Ваганова В.Ш.//Морфология, -2011.-N 3.-С.58-62.
. Е.С. Северин., Биохимия / Е.С. Северин проф. д.б.н.//2 издание.-Москва Гєотар Мед.- 2004р.- 246-248с.
. Рубина К.А., Роль Т-кадгерина в регуляции роста кровеносных сосудов Институт экспериментальной кардиологии. Факультет фундаментальной медицины МГУ им. М.В.Ломоносова/ К.А.Рубина., Н.И.Калинина, Е.В.Семина, А.В.Потехина, А.Ю.Ефименко, Е.И.Ратнер, В.А.Ткачук, Е.В.Парфенова// Кардиологический вест ник.- 2007.-Том 02.-N 2.- С.15-24.
. Ченцов Ю.С. ВВедение в клеточною биологию. - 4-е изд. перераб. и доп./ Ю.С.Ченцов. - М.//ИКЦ «Академкнига», 2004. - 495с.
5. Alberts B, Molecular Biology of the Cell <#"justify">8. Foty R.A., The differential adhesion hypothesis: a direct evaluation / R.A. Foty, M.S. Steinberg //Developmental Biology.- 2005.-№ 278.- 255-263 р.
. #"justify">. Marieb E, Human Anatomy & Physiology/ Marieb E, Hoehn K //Benjamin Cummings.- 2006.-7th.
11. Patel E.R et al. <#"justify">12. Stokes DL. Desmosomes from a structural perspective// Curr Opin Cell Biol.-2007.- ceb.№19.-565-71р.
. Strelkov SV,. Molecular architecture of intermediate filaments/ Strelkov SV, Herrmann H, Aebi U // BioEssays. 2003.-№ 25.- 243-251р.
.Vincent PA, VE-cadherin: adhesion at arm's length / Vincent PA, Xiao K, Buckley KM, Kowalczyk AP// Am J Physiol Cell Physiol.- 2004.- 286 (5).-987 97р.