Adesione e giunzioni cellulari

GIUNZIONI cellula-cellula emersero nel corso di 600 milioni di anni fa, quando è cominciata la vita dei metazoi con la formazione di una struttura di base - uno strato multicellulare che circonda uno spazio interno che separava l'interno dell'organismo dall'esterno. Durante la successiva evoluzione, questa organizzazione di base è stata conservata in diversi tipi di organi e tessuti di quelli che ora sono moderni mammiferi, compresi gli esseri umani. Tuttavia, con strutture dei tessuti sempre più elaborate, esigenze di organizzazione intercellulare intensificate, si sono presenta una serie di sfide strutturali e funzionali che hanno portato ad una maggiore diversità delle giunzioni cellula-cellula.

Un ostacolo era di mantenere l'integrità strutturale e funzionale dell'epitelio consentendo allo stesso tempo un flusso dinamico in cellule responsabili ringiovanimento costantemente il tessuto attraverso omeostasi. Questo problema è stato risolto con la formazione di giunzioni specializzate cellula-cellula (desmosomi, giunzioni adherens) e la comunicazione intercellulare (giunzioni) in tutto il tessuto. Queste giunzioni non solo le colla per tenere insieme le cellule insieme, ma anche fare in modo da consentire il rimodellamento giunzionale in risposta a vari stimoli intrinseci e ambientali. Come organismi pluricellulari evoluti, cellule all'interno di strutture dei tessuti complessi sono trovati di fronte alla necessità di migrare, cambiare forma, e riorganizzare durante la morfogenesi normale omeostasi, così come in risposta al danno e la riparazione delle ferite. giunzioni cellula-cellula sono quindi dinamica, e la loro organizzazione e le funzioni sono modificati per controllare i cambiamenti nelle interazioni cellula-cellula.

La capacità delle cellule di aderire l'una all'altra tessuti anche dotate di una capacità di controllare l'ambiente ionico circostante e anche fornire una barriera per regolare il flusso di proteine ​​e altri materiali attraverso o attorno allo strato multicellulare. Tali proprietà sono stati ottenuti in parte dalla formazione di giunzioni strette. Un'altra possibilità è la capacità di coordinare i segnali dall'esterno per regolare la crescita cellulare, la differenziazione, e l'organizzazione. Una varietà di segnali extracellulari mette in questione diversi complessi giunzionali, regolando vie di segnalazione citoplasmatici che emanano da questi complessi. Di particolare interesse sono come questi percorsi regolano eventi locali come la dinamica del citoscheletro, e anche il modo in cui comunicano con il nucleo di regolare la trascrizione genica. Il ruolo delle giunzioni cellula-cellula nell'organizzazione di proteine ​​non giunzionale è anche ribadito da altre proteine ​​del citoscheletro che polarizzano le cellule nel apicale-basale e anteriore-posteriore (polarità planare delle cellule) orientamento. L'importanza delle giunzioni intercellulari nella organizzazione strutturale e funzionale dei tessuti multicellulari è sottolineato anche dai risultati che sono il bersaglio di patogeni che cercano di entrare in singole cellule e tessuti e che mutazioni nei geni che le codificano portano al tessuto significativo e difetti organo in malattie metaboliche e tumori.

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

Why is cell-cell adhesion so important to understand? Migrating cells must reach, recognize, bind and stay with their target cells, tissues and organs! Important implications in embryogenesis, cancer, infection, transplantation potentials (stem cells) and disease! Tissue Development in the Embryo/Adult: Epithelial cell to basal lamina: post burn skin Neural crest cell in embryo: amputee nervous system Endothelium and blood vessels: cancer Pathway Guidance to Lead Cells Home: Chemotaxis vs. Chemo-avoidance: Ligands/Receptors/Second Messengers N-CAMS and transmembrane adhesion molecules help mediate binding of cells to the ECM and each other!

Two main ways in which animal cells are bound together: Connective tissue Epithelial cells.

Four functional classes of cell junctions in animal tissues. https://www.youtube.com/watch?v=gJ9WTD0XEnc https://www.youtube.com/watch?v=ARaj3Kz1cCQ Figure 19-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Table 19-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Summary of the various types of cell junctions in animals Figure 19-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

There are a variety of options available to cells when they seek to bind to other cells or know if they are in the correct location. Lets review some of the options available. Know one item that makes each unique. N-CAMS: Ca+Independent Bind to other N-CAMS Cadherins: Ca-Dependent Bind to other cadherins Selectins: don’t bind each other. Specialized to bind target glycoproteins Intergrins: bind laminin of the basal lamina or fibronectin in the ECM or to other cells.

The transmembrane adhesion molecules link the cytoskeleton to extracellular structures interactions Cadherins: cell-cell Integrins: cell-matrix Figure 19-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Table 19-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Compaction of an early mouse embryo. At the 8-cell stage they start expressing E-cadherins Figure 19-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

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. 16

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

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

I principali gruppi di molecole di adesione

Le principali molecole espresse durante l’adesione Caderine omofili Selectine eterofili Integrine eterofili Mol di Adesione con domini immunoglobulinici omofili { Ca2+

Giunzioni cellulari

GIUNZIONI CELLULARI: TESSUTO CONNETTIVO: 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. TESSUTO EPITELIALE: 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) 25

classificazione funzionale delle giunzioni 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. occludenti g. strette g. Settate (invertebrati) g. di ancoraggio g. cellula-cellula g. cellula-matrice g. comunicanti g. gap sinapsi chimiche plasmodesmosomi 26

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

GIUNZIONE STRETTA= zonula occludens 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 28

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)

Negative staining to detect „insulating” effect of tight junction

Trasporto attraverso le giunzioni strette

System of occludin – lines

Ruolo delle giunzioni strette Connessione meccanica Barriera Inibisce: l’ingresso di molecole idro-solubili la diffusione laterale di componenti di membrane Il Ca2+ è necessario per la connessione delle occludine Permeabilità: piccole sostanze inorganiche amino acidi monosaccaridi

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. 34

Giunzioni aderenti DESMOSOMI

Giunzioni aderenti g. aderenti: caderine + catenine Le giunzioni aderenti esistono in 2 forme funzionalmente diverse: 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, a-ACTININA) g. aderenti: caderine + catenine 36

Giunzioni aderenti Collegano bandelle di actina di una cellula con quelle di un’altra cellula. Fornamano una cintura adesiva subito sotto le giunzioni strette -Cadherins: Ca2+-dependent transmembrane adhesion proteins -Anchor (plaque) proteins anchor cadherins to contractile actin -Required for tight junction formation

Giunzioni aderenti

L’esempio delle caderine cyto- skele- ton i.c. linker prot. ECM i.e. integrin

CaderinE CAM Ca++ dipendenti Adesione omotipica Più di 30 membri nell’uomo 5 gruppi: tipo I tipo II desmosomali protocaderine altre Ca2+ I.c. anchored to actin or intermediet filament Importanti nello svilòuppo dei vertebrati catenin actin or IF

LE CADERINE LEGANO LE CELLULE

La caderina è una glicoproteina integrale che media l'adesione cellulare in presenza di Ca2+. L'adesione promossa dalle caderine è un'adesione omotipica o omofila, ovvero fra cellule uguali. Esistono circa 30 caderine diverse, classificate in 4 gruppi: 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. I vari tipi di caderine sono codificate da geni diversi ma hanno simile sequenza amminoacidica.

Caderine classiche tipo I (E,N,P,R,M) (Epiteliali,Neuronali,Placentali,Retiniche,Muscolari) C1 C4 C5 C3 C2 TM CYTO b-/g-cat p120 HAV W

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

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 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 a-catenin b-catenin g-catenin p120ctn

CAC=CADHERIN ASSOCIATED COMPLEX La E-caderina è responsabile della formazione di giunzioni aderenti Dominio extracellulare - dominio citosolico - citoscheletro

CAC=CADHERIN ASSOCIATED COMPLEX

a-catenina

b-catenina

LA b-CATENINA TRANSDUCE SEGNALI La beta catenina è una molecola di adesione che ha un duplice ruolo - da un lato media l’interazione E-caderina - microfilamenti, dall’altro è una molecola che trasduce segnali - è in fatti un transattivatore etc…

Desmosomi

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 vescicole Tonofilamenti: Bandelle di citokeratina filamenti intermedi

Componenti dei desmosomi Un esempio il derma

Submembraneous network connecting desmosomes

Gap junctions 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 62

GIUNZIONI Gap

Ca++ control of gap junction opening

Gap junction

Ruole delle gap junction Transporto di neurotransmittitori, cAMP, Ca 2+ 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 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.

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 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.

…ancora adesione

Super famiglia delle Immunoglobuline: 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 Ig-like domains

IgSF CAMs 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. Alcune delle molecole più rappresentative di questa famiglia sono: NCAMs - molecole di adesione cellulare neurale; ICAM-1 - molecola di adesione cellulare intercellulare; VCAM-1 - molecola di adesione cellulare vascolare; PECAM-1 - molecola di adesione cellulare piastrinico-endoteliale; L1; CHL1; Glicoproteina associata alla mielina (MAG).

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 La proteina L1CAM è una molecola di adesione cellulare che fa parte della superfamiglia delle immunoglobuline. 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.

Mutazioni di L1CAM 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.

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.

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

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

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