Adesione e giunzioni cellulari 2011

Adesione –Cellula-cellula; –cellule-strutture circostanti –Integrità e comunicazione tissutale

Significato dell’adesione cellulare :formare strati di cellula Eventi prima della formazione di una giunzione *Adesione *Organizzazione del citoscheletro intorno alle molecole che mediano l’adesione *Formazione della giunzione Gli epiteli derivano da cellule staminali da cui discendono cellule figlie che restano attaccate alla matrice. Adesioni selettive intervengono poi per creare l’archittettura del tessuto/organo

ADESIONI CELLULA-CELLULA: La motilità cellulare e l’adesione si combinano per far avvenire diversi processi morfogenetici; questi processi possono richiedere un meccanismo che diriga le cellule alla loro destinazione finale (CHEMOTASSI, CHEMOREPULSIONE, o GUIDA DELLA VIA). Una volta che la cellula migrante ha raggiunto la sua destinazione, deve riconoscere altre cellule del tipo appropriato e unirsi a loro per assemblarsi in un tessuto. Le cellule aderiscono tra loro e alla matrice extracellulare tramite proteine di superficie cellulare chiamate MOLECOLE DI ADESIONE CELLULARE (CAM), che possono o meno essere dipendenti dal calcio.

Significato dell’adesione cellulare :formare multi- strati di cellula Meccanismo mediante il quale le cellule si aggregano per formare un tessuto *cellule della cresta neurale si staccanodall’epitelio *si aggregano e si differenziano per formare due gruppi di cellule nervose del SNP Tali processi presuppongono un meccanismo di chemiotassi seguito da riconoscimento delle cellule con cui la cellula deve associarsi

Adhesion „Rolling” Entry Migration I linfociti attraversano l’endotelio homing receptor vascular addressin

I principali gruppi di molecole di adesione

Le principali molecole espresse durante l’adesione Caderineomofili Caderineomofili Selectineeterofili Selectineeterofili Integrineeterofili Integrineeterofili Adh. mol. with immunoglobulinomofili domain Adh. mol. with immunoglobulinomofili domain  Ca 2+

ECM i.e. integrin i.c. linker prot. caderine cyto- skele- ton

Ca 2+ catenin actin or IF Caderine -Proteine integrali di membrana -CAM Ca++ dipendenti -Adesione omotipica -Più di 30 membri nell’uomo 5 gruppi:tipo I tipo II desmosomali protocaderine altre I.c. anchored to actin or I.c. anchored to actin or intermediet filament intermediet filament  Importanti nello sviluppo dei vertebrati

Classificazione caderine E (epiteliali) caderine P (placentari) caderine N (nervose) caderine desmosomiche, le quali a loro volta sono identificate in 2 diverse classi, le desmogleine e le desmocolline e che intervengono nella formazione dei desmosomi.desmosomi I vari tipi di caderine sono codificate da geni diversi ma hanno simile sequenza amminoacidica.

LE CADERINE LEGANO LE CELLULE

Schematic diagram of the molecular structure of the cadherin superfamily (blue) and their cytoplasmic interactors (yellow, pink). Classic cadherins have been primarily isolated as Ca 2+ -dependent cell adhesion molecules. Activity of cell adhesion is regulated by catenins bound to its cytoplasmic region. Approximately 80 members of the cadherin superfamily have been I solated. Most members are expressed in the CNS. CNRs bind to Fyn-tyrosine kinase in their cytoplasmic region. Interestingly,Drosophila cadherins have many EC repeats. The number of extracellular tandem repeats, ECs, varies.

HAVWp120  -/  -cat C1C4 C5 C3C2 TMCYTO Caderine classiche tipo I (E,N,P,R,M) (Epiteliali,Neuronali,Placentali,Retiniche,Muscolari)

Cadherin-Dependent Cell Sorting Le cellule disaggregate (con EDTA) di un tessuto tendono a riaggregarsi preferenzialmente con cellule dello stesso tessuto se mescolate Proteine di adesione dette caderine sono implicate nella interazione omofilica La velocità di adesione è maggiore tra cellule dello stesso tipo

E-Cadherin & Compaction Human embryo undergoes compaction Embryo more compact but cells still individual E-cadherin appears at the time of compaction

Figure 1 Signaling pathways triggered by cadherin receptors differ with the cell type. A schematic diagram of the proteins that constitute the cadherin-dependent cell-cell adhesion site. Dimers of cadherin molecules associated with cytoplasmic catenins are found at the cell surface. Whereas the overall organization of the cadherin/catenin complexes are similar between epithelial and nonepithelial cells, the downstream signaling pathways differ. The molecular mechanisms remain to be determined. Note that the organization of the junction as well as the F-actin cytoskeleton are extremely different between a keratinocyte (image obtained from V. Braga) and a myoblast.

Catenins  -catenin  -catenin  -catenin p120 ctn

CAC=CADHERIN ASSOCIATED COMPLEX

 -catenina

 -catenina

LA  -CATENINA TRANSDUCE SEGNALI

Giunzioni cellulari

GIUNZIONI CELLULARI: TESSUTO CONNETTIVO: TESSUTO EPITELIALE: Matrice extracellulare abbondante e cellule distribuite in modo sparso al suo interno; è la matrice che sopporta lo stress meccanico. Gli attacchi diretti tra una cellula e l’altra sono rari. Cellule unite strettamente in foglietti chiamati epiteli: matrice extracellulare scarsa, consiste di un tappeto sottile (lamina basale) che sta sotto l’epitelio. L’adesione cellula-cellula sopporta la maggior parte degli stress meccanici. (IMP: contatto tra citoscheletro di cellule adiacenti)

GIUNZIONI CELLULARI: Giunzioni specializzate, si trovano nei punti di contatto cellula- cellula e cellula-matrice. Classificate in 3 gruppi funzionali: 1) g. occludenti: saldano insieme le cellule di un epitelio impedendo il filtraggio di molecole da una parte all’altra dell’epitelio. 2) g. di ancoraggio: attaccano meccanicamente le cellule alle loro vicine o alla matrice. 3) g. comunicanti: mediano il passaggio di segnali chimici o elettrici da una cellula all’altra. classificazione funzionale delle giunzioni g. occludentig. strette g. Settate (invertebrati) g. di ancoraggiog. cellula-cellula g. cellula-matrice g. comunicantig. gap sinapsi chimiche plasmodesmosomi

Giunzioni Cellula-cellula Giunzioni Cellula-cellula GIUNZIONI STRETTE GIUNZIONI STRETTE GIUNZIONI ADERENTI GIUNZIONI ADERENTI DESMOSOMI DESMOSOMI GIUNZIONI GAP GIUNZIONI GAP Giunzioni cellula substrato Emidesmosomi Contatti focali

Permettono agli epiteli di servire da superficie di separazione, non permettono il passaggio di molecole. rete ramificata di filamenti sigillanti che contornano l’estremità apicale di ciascuna cellula del foglietto epiteliale ciascun filamento è composto da una lunga fila di proteine di adesione transmembrana immerse in entrambe le membrane; i domini extracellulari si uniscono tra loro per occludere GIUNZIONE STRETTA= zonula occludens

GIUNZIONE STRETTA Proteine principali: CLAUDINE (di diverso tipo, presenti diversamente nelle giunzioni strette) e OCCLUDINE (funzione incerta, si associano con proteine periferiche intracellulari di membrana chiamate PROTEINE ZO -zona occludens- che ancorano i filamenti al citoscheletro di actina)

System of occludin – lines

Ruolo delle giunzioni strette Connessione meccanica Connessione meccanica Barriera Barriera Inibisce: Inibisce: l’ingresso di molecole idro-solubili la diffusione laterale di componenti di membrane Il Ca 2+ è necessario per la connessione delle occludine Il Ca 2+ è necessario per la connessione delle occludine Permeabilità: piccole sostanze inorganiche Permeabilità: piccole sostanze inorganiche amino acidi amino acidi monosaccaridi monosaccaridi

Negative staining to detect „insulating” effect of tight junction of tight junction

Trasporto attraverso le giunzioni strette

Giunzioni settate localizzate sulla parte apicale localizzate sulla parte apicale formano una cintura continua come le zone aderenti formano una cintura continua come le zone aderenti promuovono l’aderenza tra cellule promuovono l’aderenza tra cellule legano l’actina legano l’actina

giunzioni di ancoraggio: Forte struttura che attraversa la membrana ed è attaccata al citoscheletro. Composte da 2 classi principali di proteine: di adesione transmembrana (coda citoplasmatica che si attacca a una o + proteine di ancoraggio intracellulari e a un dominio extracellulare che interagisce con domini extracellulari di proteine di adesione transmembrana specifiche su un’altra cellula). proteine di ancoraggio intracellulare (formano una placca sulla superficie citoplasmatica della membrana e connettono il complesso giunzionale o ai filamenti di actina o a filamenti intermedi) Molte giunzioni contengono proteine di segnalazione intracellulare che rendono le giunzioni capaci di segnalare all’interno della cellula.

Giunzioni aderenti DESMOSOMI

g. aderenti: caderine + catenine Esistono in varie forme e sono presenti in molti tessuti non epiteliali punti di attacco tondeggianti o a striscia che connettono indirettamente i filamenti di actina corticali di 2 cellule interagenti formano una “cintura di adesione” sotto le giunzioni strette morfogenesi un fascio contrattile di filamenti di actina si trova adiacente alla cintura orientato in senso parallelo alla membrana (legame actina- membrana tramite proteine come CATENINE, VINCULINA,  -ACTININA) Giunzioni aderenti Le giunzioni aderenti esistono in 2 forme funzionalmente diverse:

Collegano bandelle di actina di una cellula con quelle di un’altra cellula. Fornamano una cintura adesiva subito sotto le giunzioni strette -Cadherins: Ca 2+ - dependent transmembrane adhesion proteins -Anchor (plaque) proteins anchor cadherins to contractile actin -Required for tight junction formation Giunzioni aderenti

Le caderine mediano un legame tra cellule calcio dipendente Homophilic Adhesion (Catenins)

Desmosomi

Tonofilamenti: Bandelle di citokeratina filamenti intermedi punti di contatto intracellulare a forma di bottone che ancorano le cellule le une alle altre. Siti di ancoraggio per filamenti intermedi che formano una impalcatura strutturale resistente alla tensione Placca citoplasmatica composta da PLAKOGLOBINA e DESMOPLAKINA, DESMOGLEINA e DESMOCOLLINA. -Pemphigus: Auto anticorpi contro le caderine desmosomiali causano la formazione di vescicoleDesmosomi

Componenti dei desmosomi Un esempio il derma

Submembraneous network connecting desmosomes

g. comunicanti: costituite da proteine che formano canali (CONNESSINE); i canali formati (CONNESSONI) permettono il passaggio di ioni inorganici e altre piccole molecole solubili in acqua di passare da una cellula all’altra. Le giunzioni gap di tessuti diversi possono aver diverse proprietà (esistono connessine diverse). Sincronizzazione segnali elettrici (contrazione muscolare) Liberazione glucosio (segnale da epatociti innervati a epatociti non innervati) Possono essere regolate (pH, Ca2+) protezione del passaggio di segnali nocivi da una cellula a quelle adiacenti Ex: danno alla membrana, passaggio di ioni all’interno, gli ioni non devono diffondere alle cell vicine, chiusura delle giunzioni gap Gap junctions

GIUNZIONI Gap

Ca++ control of gap junction opening

Gap junction

Ruole delle gap junction Transporto di neurotransmittitori, cAMP, Transporto di neurotransmittitori, cAMP, Ca 2+ Ca 2+ Signaling negli embrioni precoci Signaling negli embrioni precoci

The nonfluorescent precursor (NPE-HCCC2, top) becomes fluorescent when activated by UV light, and fluorescent HCCC2 diffuses from 'cell 1' to 'cell 2'; the change in fluorescence in each cell can be used to quantify the gap junction permeability. A gap junction composed of connexin43 channel subunits is shown with its hypothesized linkage to a SOC via the scaffolding protein zonula occludens-1 (ZO-1) 11 ; other proteins are dynamically linked to gap 11 junctions (including c-src, serine-threonine kinases, tubulin, catenins, caveolin-1 and scaffolding proteins), forming a molecular complex termed a 'nexus'12. Studies with the LAMP method suggest that Ca2+ entry through the SOC increases Ca2+ concentration to very high levels in close proximity to the gap junction, thereby directly or indirectly closing the intercellular channels1.121

GIUNZIONI Gap

The nonfluorescent precursor (NPE-HCCC2, top) becomes fluorescent when activated by UV light, and fluorescent HCCC2 diffuses from 'cell 1' to 'cell 2'; the change in fluorescence in each cell can be used to quantify the gap junction permeability. A gap junction composed of connexin43 channel subunits is shown with its hypothesized linkage to a SOC via the scaffolding protein zonula occludens-1 (ZO-1) 11 ; other proteins are dynamically linked to gap 11 junctions (including c-src, serine-threonine kinases, tubulin, catenins, caveolin-1 and scaffolding proteins), forming a molecular complex termed a 'nexus'12. Studies with the LAMP method suggest that Ca2+ entry through the SOC increases Ca2+ concentration to very high levels in close proximity to the gap junction, thereby directly or indirectly closing the intercellular channels1.121

…ancora adesione

Ig-likedomains CAM = Cell Adhesion Molecules Super famiglia delle Immunoglobuline: Adesione Ca2+ indipendente N-CAM Derivano da splicing alternativo di un singolo gene Segnali intracell (vd. Src e fosforilazione) Legano lunghe catene di acido sialico Forte carica – Adesione debole Ruolo nella segregazione cellulare

La superfamiglia delle molecole di adesione di tipo immunoglobulinico (IgSF CAMs) sono in grado di instaurare sia legami omofili che eterofili, legando integrine o diversi tipi di IgSF CAMs. immunoglobulinico Alcune delle molecole più rappresentative di questa famiglia sono: NCAMsNCAMs - molecole di adesione cellulare neurale;neurale ICAM-1ICAM-1 - molecola di adesione cellulare intercellulare; VCAM-1VCAM-1 - molecola di adesione cellulare vascolare;vascolare PECAM-1PECAM-1 - molecola di adesione cellulare piastrinico-endoteliale;piastrinicoendoteliale L1L1; CHL1CHL1; Glicoproteina associata alla mielinaGlicoproteina associata alla mielina (MAG). IgSF CAMs

Schema delle quattro forme di N- CAM 5 domini extra 1 forma è secreta e incorporata nella matrice La glicosilazione (acido sialico) potrebbe prevenire l’adesione per favorire processi di crescita

L1CAM structure

. L1CAM è espressa durante lo sviluppo embrionale negli assoni e nei neuroni post-mitotici del sistema nervoso centrale e periferico e ha un ruolo nella migrazione neuronale e nella crescita dei neuriti. The gene encoding L1CAM is located in Xq28 Arg-Gly-Asp (RGD)

L1-CAM-mediated interactions and involvement in signaling pathways. L1-CAM is up- regulated by chemotherapy and Wnt/β-catenin signaling, interacts with membrane proteins via homo- and heterophilic interactions and mediates invasion, proliferation, anti-apoptotic and angiogenesis-related signaling effects.

The many functions of the L1-cell adhesion molecule (L1-CAM) in cancer cells. L1-CAM, a transmembrane cell adhesion receptor of the immunoglobulin (Ig) superfamily, contains six Ig-like domains and five fibronectin (Fn)-like repeats. It can bind by homophilic interactions to L1-CAM on the surface of neighboring cells and by heterophilic interactions to other members of the L1- CAM family. In cancer cells, L1-CAM can bind to receptor tyrosine kinases (RTKs) and to integrins, thereby leading to ERK activation. L1-CAM is often cleaved by metalloproteinases (MMPs), and the shed L1-CAM domain can bind to integrins, RTKs and to L1-CAM on the surface of the same, or neighboring cells.

La sindrome CRASH è una forma di ritardo mentale legata al cromosoma X (per cui colpisce esclusivamente individui di sesso maschile). Il ritardo mentale può avere gravità variabile (a seconda delle mutazioni coinvolte); altre manifestazioni sono lo scarso sviluppo del corpo calloso (la struttura che connette i due emisferi cerebrali), anomalie nella struttura dei pollici, paraplegia spastica e idrocefalo (che a sua volta contribuisce al ritardo mentale). La sindrome CRASH dipende da mutazioni a carico del gene L1- CAM,. La malattia è legata all'X: solo i maschi presentano i sintomi, mentre le femmine sono portatrici sane. La diagnosi è clinica e molecolare, con ricerca di mutazioni nel gene L1-CAM. Mutazioni di L1CAM

I-CAM INTERCELLULAR ADHESION MOLECULE PRESENTI, TRA L’ALTRO, SULLE CELLULE ENDOTELIALI DOVE MEDIANO L’INTERAZIONE CON LE INTEGRINE SULLE CELLULE DEL SANGUE DURANTE LA MIGRAZIONE FUORI DAI VASI SANGUIGNI.

Proposed model for the role of ADAM10 in the downregulation of E-cadherin during tumor cell metastasis. Under physiological conditions, ADAM10 only cleaves a fractional amount of E- cadherin (1). After activation, ADAM10-mediated shedding can abrogate cell–cell adhesion (2). This proteolysis leads to the release of the soluble E-cadherin domain that stimulates cell migration in an autocrine and paracrine way (3). Additionally, the shedding affects β-catenin translocation and the expression of β-catenin target genes such as cyclin D1, increasing cell proliferation (4). The soluble cytoplasmic domain of E- cadherin that is released through the γ-secretase complex (γ-SC) might also modulate cell signalling (5). Additionally, other β-catenin target genes like L1 or N-cadherin are upregulated on the cell surface and promote cell migration (6).

Selectins Tissue-specificity: E - epithelial L - lymphoid P - placenta proteine di superficie che legano carboidrati (LETTINE) che mediano una varietà di interazioni transitorie di adesione nel torrente circolatorio, che dipendono dal calcio 3 tipi: L-, P-, E-selettina (linfociti, piastrine, endotelio) proteine transmembrana con dominio di lettina altamente conservato ruolo importante nell’attaccodei globuli bianchi alle cellule endoteliali che rivestono i vasi sanguigni mediano un’adesone debole (rotolamento) Espressione: richiamo vs zone di infiammazione

Tissue-specificity: E - epithelial L - lymphoid P - placenta

Selectins and Integrins Mediate Transient Cell-Cell Adhesion in the Bloodstream