Le molecole di adesione cellula-cellula e cellula-matrice Principi di Citologia e Istologia. Prof. Pucci, 2003 Le CAMs Modulo caderinico NH2 Modulo Ig D E B A G F C S S COOH Ca++ Le principali famiglie di Molecole di Adesione cellula-cellula (CAMs) sono le seguenti: -Selectine: formano legami transitori principalmente tra leucociti e cellule endoteliali -Immunoglobuline di superficie (IgSF): formano legami stabili o transitori tra una varietà di tipi cellulari. Alle IgSf appartiene anche la sottoclasse delle mucine espresse principalmente da cellule epiteliali. Formano legami transitori. -Caderine: formano legami omotipici stabili principalmente tra cellule epiteliali, cellule nervose e cellule muscolari Ca++ SS Ca++ SS Ca++ SS Ca++ SS Selectine Ca++ Immunoglobuline di superficie Caderine Le Selectine Glicoproteina di superficie Ca++ L-selectina Le selectine sono una famiglia di glicoproteine integrali, che riconoscono e legano specifiche sequenze di carboidrati presenti sulla superficie di altre cellule. Sono espresse principalmente sui leucociti e sono coinvolte nella risposta infiammatoria. Se ne conoscono tre membri, le L-, le P- e le E-. Le L-selectine sono espresse su tutte le classi di leucociti e legano le P e le E presenti sulle cellule endoteliali, in modo calcio-dipendente. Membrana plasmatica Modello di adesioni transitorie cellula-cellula che si verificano tra leucociti ed endotelio vasale durante la risposta infiammatoria Vaso sanguigno Flusso sanguigno Lamina basale Cellule endoteliali rotolamento adesione connettivo Citochine infiammatorie Da C.B. Bertozzi, Current Biology, 1995 diapedesi migrazione Le Immunoglubuline di superficie Le IgSF hanno struttura secondaria formata da domini omologhi a foglietti beta (Ig- fold), presenti sul versante extracellulare delle molecole. Ciascun modulo immunoglobulinico è composto da 70-110 residui amminoacidici. Ciascun modulo Ig interagisce con unità adiacenti, tramite legami deboli venendo a costituire una struttura terziaria globulare molto resistente alle proteasi. La maggior parte delle IgSF forma adesioni di tipo omofilico (con molecole dello stesso tipo) indipendenti da calcio. Elementi variabili nell'ambito dei sottogruppi delle IgSF sono il numero di ripetizioni del dominio Ig, la lunghezza della porzione citoplasmatica, la presenza o l'assenza di altri domini strutturali e funzionali (in particolare domini di tipo fibronectinico), il grado di glicosilazione. Alcuni membri delle IgSF vennero originariamente identificati per la loro associazione a certi tumori; tra questi il più noto é il CEA (Carcino-Embryonic Antigen), presente in alte concentrazioni nel siero di pazienti affetti da carcinoma del colon, della mammella e di altri tumori, e normalmente espresso in derivati endodermici nel corso dello sviliuppo embrionale. Altre IgSF, tipicamente associate a tumore, sono l'oncoproteina DCC (Delete in Colon Cancer), la BGP (Biliary GlycoProtein), la NCA (Non-specific Crossreacting Antigen) e l'NFA-1 (Normal and Fetal Antigen). NH2 D E B A G F C S S Modulo Ig COOH zuccheri Domini fibronectinici Membra plasmatica Domini citoplasmatici Le Caderine NH2 Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Modulo caderinico a struttura beta. Ciascun dominio di circa 110 residui amminoacidici, contiene due motivi leganti Ca2+, altamente conservati e presenti in posizione simile in tutte le caderine. COOH Le caderine are sono una famiglia di proteine transmembranarie di tipo I, calcio dipendenti che interagiscono preferenzialmente con se stesse in modo omofilico, connettendo stabilmente cellule adiacenti. Possono anche legare integrine alfa e beta7. Hanno un PM di circa 97 kDa e presentano domini ripetuti a foglietti beta. La presenza del Ca++ è necessaria non solo alla loro funzione adesiva, ma anche all' integrità strutturale della molecola: la rimozione del calcio dal dominio caderinico, provoca infatti una loro rapida proteolisi. Le sottoclassi caderiniche più note sono • le epiteliali (E-caderine), •le neuronali (N-caderine), •le placentari (P-caderine), •le desmosomali (desmocolline e desmogleine). Il segmento polipeptidico all'estremo N-terminale della molecola, formato da circa 113 amminoacidi, rappresenta la regione di riconoscimento e di specificità del legame, mentre la regione citoplasmatica, anch'essa altamente conservata, é indispensabile per la stabilità del legame ed in particolare per la formazione ed il mantenimento delle giunzioni aderenti. Sono coinvolte nella cancerogenesi. Le catenine L’adesione cellulare negli epiteli è iniziata attraverso i domini extracellulari delle caderine, e mantenuta attraverso il segmento citoplasmatico che interagisce con una classe di proteine di circa 100kDa definite catenine. Le catenine, a loro volta sono in grado di legarsi al citoscheltro partecipando alla formazione delle giunzioni intermedie e dei desmosomi. Sono membri di questa classe di proteine le catenine α1 e α2 (omologhe alla vinculina), la β catenina (o placoglobina) e la γ catenina (o desmoplakina). In aggiunta alla funzione adesiva, le catenine sono in grado di interagire con protein-kinasi coinvolte nei pathway di trasduzione del segnale indotto da fattori di crescita come l’EGF, oncogeni e oncosoppressori. In particolare la β-catenina, in seguito a fosforilazione, si stacca dal complesso e migra nel nucleo dove stimola la trascrizione di diversi geni, tra cui c-myc, c-jun, e la ciclina D1. Pertanto le adesioni cellula-cellula sono anche coinvolte nel controllo della proliferazione cellulare. B actina catenine A Schema che illustra l’inizio dell’adesione cellulare (A) ed il suo consolidamento (B). Da R. Kemler, Cell Biology, 3, 149-155, 1992 Il complesso di adesione caderina Una causa della distruzione delle giunzioni intercellulari é l'espressione dell' oncoproteina APC (Adenomatous Polyposis Coli), prodotta da un gene oncosoppressore, iperespresso in un elevato numero di carcinomi del colon. APC è in grado di legarsi stabilmente alle alfa e beta catenine presenti nelle giunzioni aderenti. L'interazione di APC con le catenine spiazza il legame citoplasmatico tra caderine-cateninecitoscheletro, provocando la dissociazione del legame tra le caderine e favorendo il distacco delle cellule. Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Beta-catenina Alfa-catenina Oncogene APC vinculina Alfa-actinina F-actina I sistemi di giunzione Micrografia elettronica di una sezione della regione apicale di epitelio intestinale sinonimi Giunzioni occludenti Tight junctions Giunzioni strette Giunzioni aderenti Desmosomi anulari Desmosomi a banda Desmosomi puntiformi Desmosomi a macula Da Blomm and Fawcett, Atlas of fine structure Ricostruzione tridimensionale dei sistemi di giunzione dell’epitelio intestinale Proprieta’ Microvilli Formano una saldatura impermeabile intorno alla superficie apicale delle cellule, impedendo diffusione di soluti Formano una cintura di connessione plastica Giunzioni occludenti Giunzioni aderenti Formano connessioni puntiformi multiple capaci di resistere agli stress meccanici Desmosomi puntiformi Formano canali di comunicazione intercellulare Giunzioni comunicanti Filamenti intermedi Emidesmosomi Ancorano la cellula alla lamina basale Lamina basale da J Darnell, H Lodish, D Baltimore, Biologia Molecolare Della Cellula, Zanichelli, 1994 Le giunzioni occludenti ZO2 160 kDa Rab F-actina Occludina 65kDa Cingulina 140 kDa ZO1 Membrana1 225 kDa Membrana2 Spazio intercellulare Schema tridimensionale della giunzione stretta, o occludente (tight junction). da J Darnell, H Lodish, D Baltimore, Biologia Molecolare Della Cellula, Zanichelli, 1994 L’organizzazione molecolare della giunzione occludente comprende le seguenti proteine: •Occludina:proteina integrale occludente simile alla connexina •Zonula 1 e Zonula 2: contengono domini fosforilabili e quindi partecipano alla trasduzione del segnale •Rab, piccole proteine che legano GTP •Cingulina: simile alla miosina, lega il complesso di chiusura ai filamenti di actnina Micrografia elettronica di una sezione di due cellule epatiche a contatto dove sono visibili le giunzioni occludenti (frecce). Lume dell’acino pancreatico Micrografia elettronica della superfice apicale di due cellule pancreatiche, dopo breve incubazione con idrossido di lantanio. Si osserva che il colorante penetra negli interstizi intercellulari e si arresta a livello della giunzione occludente. Regione apicale Giunzione occludente Vescicola di zimogeno Riprodotto da J Darnell, H Lodish, D Baltimore, Biologia Molecolare Della Cellula, Zanichelli, 1994 Idrossido di lantanio Giunzioni aderenti Desmosomi desmocolline e desmogleine filamenti di keratina filamenti di actina caderine Spazio intercellulare Proteine del complesso di adesione Placche citoplasmatiche formate dall’ancoraggio del complesso di adesione con i filamenti intermedi Da S.L.Wolf, Biologia Cellulare e Molecolare, edi SES ricostruzione tridimensionale Desmosomi ed emidesmosomi come appaiono in Microscopia elettronica tradizionale Spazio intercellulare Placche citoplasmatiche Filamenti intermedi Micrografia elettronica di desmosoma tra cheratinociti Micrografia elettronica di emidesmosomi che ancorano la superficie basale delle cellule alla lamina basale. Da Bloom and Fawcett Le giunzioni comunicanti o giunzioni serrate, gap junction Le gap junctions sono aree specializzate della membrana che connettono funzionalmente cellule adiacenti. Sono formate da canali a bassa resistenza elettrica, attraverso cui ioni, piccole molecole regolative e metaboliti al di sotto dei 1000 daltons (come Ca++, C-AMP, glutatione, amminoacidi, carboidrati, nucleotidi) possono passare liberamente da una cellula all’altra. Il canale della giunzione è formato da due “emicanali” definiti “connexoni”. Ciasun connexone è formato da sei subunità proteiche definite connexine. Struttura del connessone Membrane plasmatiche a contatto Canale di 1.5 nm di diametro Canale formato da due connexoni in registro esamero di connexine Le Integrine funzionano in coppia Integrine catena alfa Sito di legame catena beta Ruoli • Adesione cellulare all’ECM • Migrazione • Extravasazione •Segnali provenienti dalla matrice Sono eterodimeri di due subunità alfa e beta. Si conoscono 12 subunità di alfa (PM da 150 a 200 kDa) e 8 di beta (PM da 90 a 110 kDa). L subunità alfa sono di due tipi: a catena intera (α1, α2, α L, αΜ) o formate da due catene legate da ponti disolfuro. Dominio ricco in cisteine membrana Possibili combinazioni della subunità beta 1 (A) e beta 2 (B) con le varie subunità alfa nella formazione degli etrodimeri integrinici α2 A α3 LM COLL IV COLL I FN LM COLL I FN FN alt α4 Placche di Peyers FN RGD α5 α1 LM COLL IV COLL I VN β 5 RGD β 6 FN β8 ? FN β1 ? RG D αV α8 LM LM α7 β2 MB β4 FB RGD B α6 β7 β3 FB αx C3bi FX FB ICAM-1 αΜ ICAM-1 ICAM-2 αL Organizzazione del citoscheletro e adesione focale mediata dalle integrine paxillina Filamenti di actina talina CAP tensina vinculina vinculina paxillina α-actinina FAK CRK talina CSK SRC α β FAK α β vinculina talina CAS α β integrine L’adesione della cellula alla matrice extracellulare (ECM) tramite le integrine induce la formazione della placca di adesione focale e la riaggregazione del citoscheletro. Tensina, paxillina , CAS e FAK (focal adhesion-kinase) sono intermediari fosforilabili che dirigono l’assemblaggio dell’actina in fibre connesse da alfa-actinina. La talina forma il collegamento tra integrine e vinculina-actina. CSK, CRK e CAS sono modulatori del sistema di adesione focale. Tramite FAK e le altre proteine fosforilabili, l’adesione delle cellule al substrato entra nel circuito della rete di trasduzione del segnale, partecipando oltre che alla riorganizzazione del citoscheletro, al controllo della proliferazione cellulare e dell’apoptosi.