Kapittel 22 Integrering av celler i vev Oversikt

Kapittel 22 Integrering av celler i vev

Oversikt over forelesningen: • 22. 1 Celle-celle Adhesjon og Kommunikasjon • 22. 2 Celle-Matrix Adhesjon • 22. 3 Kollagen: Fiber Proteiner i Matrix • 22. 4 Ikke-kollagen Komponenter i ECM • 22. 5 Den Dynamiske Plante-celleveggen

Innledning: • Enkle celler har ved evolusjon utviklet seg til spesialiserte celler og vev (integrering av celler), som igjen har utviklet seg til kompliserte multicellulære organismer. • Det funksjonelle samspillet mellom celler i vev og mellom ulike spesialiserte vev danner grunnlaget for at multicellulære organismer kan utføre essensielle aktiviteter som bevegelse, reproduksjon, metabolisme osv. • I evolusjonen av multicellularitet har cellenes evne til å danne kontakt og kommunisere med hverandre vært av stor betydning. • De ulike celle-celle intraksjonene som danner vev er avhengig av forskjellige integrale membranproteiner, kalt “cell-adhesion molecules” (CAMs).

• “Cell junctions” er med på å stabilisere de ulike intraksjonene mellom cellene, samt fremme lokal komunikasjon mellom cellene. • I omgivelsene rundt cellene fins et komplekst nettverk av karbohydrater og proteiner, kalt ekstracellulær matrix (EMC).

• ECM har en viktig funksjon i å hjelpe cellene til å holde sammen i vev ved å opprettholde et riktig og forholdsvis stabilt miljø. • I tillegg fungerer ECM som et reservoar for mange hormoner som er viktig ved kontroll av cellevekst og cellediffrensiering. • ECM består av tre store proteinkomponenter: - proteoglycans - collagen ( gir styrke) - multiadhesive matrix proteins • ECM kommuniserer også direkte og indirekte med intracellulære signalveier (signaltransduksjon).

22. 1 Adhesjon og kommunikasjon mellom celler • Adhesjon mellom like celler er en nødvendig egenskap for dannelse av vev som for eksempel slimhinnen i tynntarmen. • CAMs (celle overflate proteiner) medierer binding mellom like celler (homofil adhesjon) eller ulike celletyper (heterofil adhesjon) • CAMs kan i tillegg mediere interaksjon mellom celle og matrix. • Det finnes 5 hovedklasser av CAMS: – Cadherin – Immunglobulin (Ig) superfamilie (N-CAMS) – Selektin – Mucin – Integrin Mange celler bruker flere typer CAMs for å mediere celle-celle adhesjon. Integriner mediere celle- matrix interaksjoner, mens de andre deltar i celle- celle adhesjon

Cadheriner • Cadheriner er de viktigste molekylene for adhesjon mellom celler. De har også en viktig rolle i vevsdifferensieringen. Det finnes mer enn 40 ulike cadheriner og de viktigst er E-, P- og N -cadheriner. • De ekstracellulære domenene har bindings-seter for Ca 2+ som er nødvendig for celle adhesjonen. Den C-terminale enden (cytoplasmisk domene) er assosiert med cytoskjelettet. • Cadheriner medierer først og fremst interaksjoner mellom molekyler av samme type. • Ulike vev har forskjellig distribusjon av cadheriner. Ved sykdom og celledifferensiering kan mengden eller funksjon til cadheriner endres, slik at celleadhesjonen og cellemigrering påvirkes. Metastaser fra kreft celler viser f. eks. sammenheng med tap av cadheriner fra celleoverflaten.

N-CAMs ( nerve-cell adhesion molecule) • I likhet med cadheriner medierer N-CAMs homofile celleadhesjoner. • Som navnet tilsier spiller de en viktig rolle i nervevev. I tillegg er de viktige for differensiering av muskel-, glia- og nerveceller under forsterutvikling • Molekylets bindingsegenskaper har sammenheng med kjeder av sialic acid som er et negativt ladet sukker. Jo mer silylert N-CAMs er, jo dårligere blir evnen til adhesjon. • Embryoceller har høyere grad av silylering enn voksent vev. Dette gjør at bindinger mellom celler kan dannes og brytes, noe som er nødvendig for utvikling av nervesystemet hos foster.

Selectiner og andre CAMs deltar i leukocytt extravasation • Det finnes mange typer celler som deltar i immunforsvaret. Disse må kunne bevege seg raskt fra blodet, hvor de sirkulerer, og inn i underliggende vev til steder med infeksjon eller inflammasjon. Denne forflytningen går under betegnelsen exstravasation. • De viktigste cellene i immunforsvaret er – monocytter – makrofager – nøytrofile granulocytter – T-og B-lymfocytter • Selektiv adhesjon av T-lymfocytter til endotel nær steder med infeksjon eller inflammasjon er avhengig av plassering og aktivering av ulike typer CAMs på overflatene til de involverte cellene.

Selektiner og andre CAMs deltar i Leukocytt extravasation (forts. ) • • • Extravasation krever at bindinger mellom leukocytter og endotelceller dannes og brytes suksessivt. Slike kontaktpunkter medieres av selektiner, en type CAMs som finnes i vaskulære celler og som danner spesifikke interaksjoner med ligander (karbohydrater) på leukocyttoverflaten. I en normal endotelcelle vil P-selektin være å finne i en intracellulær vesikkel. Proteinet uttrykkes ikke på overflaten før cellen har mottatt et inflammatorisk signal fra underliggende vev. Andre CAMs som deltar i prosessen er L 2 -integrin og ICAM-1 (Igsuperfam. )

Junctions forsterker adhesjon og muliggjør kommunikasjon mellom celler • For at vev skal kunne fungere på en integrert måte finnes det spesialiserte junctions. Slike strukturer er bygget opp av ulike CAMs i klynger. • Eksempler på Junctions: – Gap junction: direkte kommunikasjon mellom celler – cell- cell junction: styrker binding mellom celler – cell- matrix junction : forankrer cellen i ekstracellulær matrix

Junctions som inneholder cadherin binder celler til hverandre • • Spesialiserte junctions består av klynger av celle-adhesjons molekyler og er nødvendig for funksjonen til vevet. Eksempel på spesialiserte junctions er adherens junctions og desmosomer. Disse består av E-cadherin som bindes til cellens cytoskjelett via et adapterprotein. Slik forbindes plasmamembraner i nærliggende celler. Adherens junctions er å finne mellom epitelceller. Cadherinet er her forbundet til cellens aktinfilamenter via - og cateniner (adaptorproteiner). Denne typen junction er med på kontrollere epitelcellenes form. I desmosomer er cadherinet forbundet til keratinfilamneter via et plaque som bl. a. består av et catenin lignende molekyl. Desmosomer er vanligst mellom epitelceller og gir form og styrke til cellene.

Små molekyler passerer mellom celler via Gap junctions • Gap junctions består av sylindriske, vannfyllte kanaler. Disse kanalene forbinder cytosol i en celle med cytosol i en nærliggende celle. Dette gjør det mulig for små molekyler og ioner å passere mellom celler. • Et viktig eksempel på dette er metabolsk kooperasjon, hvor celler kan overføre molekyler til naboceller som ikke er i stand til å syntetisere f. eks aminosyrer og nukleosidfosfater. • En annen viktig forbindelse som overføres via gap junctions er c. AMP(en intracellulær sekundær budbringer). Dette betyr at hormonell stimulering av en eller få celler setter igang metabolsk respons i mange celler i vevet. • Kanalene mellom cellene er regulert slik at de kan lukke seg ved høye konsentrasjoner av Ca 2+. En celle som har skader i membranen, og derfor får høy kons. av Ca 2+ i cytosol, vil lukke kanalene som forbinder den med nabo cellene. Slik hindres lekkasje av molekyler med lav molekylvekt mellom cellene.

Connexin danner de sylindriske kanalene i gap junctions • Kanalene i gap junctions er bygget opp av transmembranproteiner kalt connexin. • En gap junction kanal består av to connexoner der 6 connexiner utgjør et connexon (hemikanal). Connexonene står i kontakt med hverandre og er forankret i hver sin plasmamembran • Det finnes ulike typer connexin i ulike typer vev. Molekylene varierer hovedsakelig i lengde og i den Cterminale enden. • Cellen kan ha homotypiske (identiske connexoner) eller heterotypiske (heterooligomere connexoner) gap junction kanaler. Variasjon i kanalenes oppbygging gir ulik permeabilitet forskjellige molekyler.

22. 2 Celle – matriks adhesjon • • • Et vevs oppbygging og arkitektur bestemmes av adhesjonsmekanismer - celle – celle interaksjoner - celle – matriks interaksjoner Hos dyr er de fleste organiserte cellegrupper (f. eks. epitel- og muskelceller) omgitt av et ekstracellulært matriks (ECM) bestående av collagenfibre, proteoglykaner og multiadhesive matriksproteiner. Ekstracellulært matriks har flere roller - organisere celler i vev - koordinere cellers cellulære funksjon - sørge for ruter for celleforflytning I tillegg aktiverer molekyler i ECM klassiske signal- transduksjonsveier som induserer cellevekst, økning i celleantall og genuttrykk. Matriksets mange effekter involverer membranbundne celleadhesjonsmolekyler (CAMer) som bindes direkte til komponenter av ECM og cytoskelletet. Hovedklassen av CAMer som fremmer celle – matriks adhesjon er integriner, men selektiner og syndekane proteoglykaner binder og molekyler i matriks.

Integriner fremmer svake celle – matriks- og celle - celleinteraksjoner • • • Integriner er heterodimerer av - og - underenheter, og den ligandbindende siden er satt sammen av deler av begge kjedene - hos pattedyr er minst 22 integrinheterodimerer, satt sammen av 17 - og 8 -underenheter, kjent En enkelt - kjede kan reagere med mange - kjeder og danne integriner som binder ulike ligander. Diversiteten av integriner og deres ligander i matriks gjør cellene i stand til forflytninger til sine korrekte lokalisasjoner under vevsdannelse, og hjelper til med utforminga av et embryos kroppsform. De fleste integriner er uttrykt i mangfoldige celler, og de fleste celler uttrykker atskillige integriner. Dette gjør dem i stand til å binde seg til en mengde matriksmolekyler. Likevel uttrykkes tre 2 - integriner kun av leukocytter (kvite blodlegemer), og en av disse, L 2, fremmer celle – celle- fremfor celle – matriks- interaksjoner - dette integrinet deltar i bindinga av leukocytter til spesifikke ligander på endotelieceller ved steder med infeksjon eller inflammasjon (betennelse). Noen få andre integriner fremmer både celle – celle- og celle – matriksinteraksjoner.

Integriner fremmer svake celle – matriks- og celle – celleinteraksjoner (forts. ) • Integriner viser relativt lav affinitet for sine ligander sammenligna med den høge affiniteten hos typiske hormonreseptorer på celleoverflata. • Likevel sørger de mange svake interaksjonene som utvikles ved binding av hundre eller tusenvis av integrinmolekyler til ekstracellulære matriksproteiner for at cella forblir fastankra til matriksen. • Alternativt er det i situasjoner der cellene forflytter seg nødvendig at de har mulighet til å danne og bryte spesifikk kontakt med den ekstracellulære matriksen - dette muliggjøres om den individuelle kontakten er svak. • Celler som uttrykker flere ulike integriner som binder samme ligand kan ofte selektivt regulere aktiviteten til hver integrintype, og dermed fininnstille sine interaksjoner med matriksen.

Celle – matriksadhesjon reguleres av endringer i aktivitet og antall integriner • • Plater, de små cellefragmentene som sirkulerer med blodet og som er viktig for levring av blod, er et godt eksempel på hvordan celle – matriksinteraksjoner reguleres ved hjelp av kontroll av integrinaktivitet. Integrinet llb 3 er vanligvis tilstede på platenes plasmamembran, men kan ikke binde blodproteinet fibrinogen, som deltar i blodlevringa. Ei plate blir ”aktivert” ved å binde collagen eller trombin i ei dannende levring, og bare da kan llb 3 - integrinet binde fibrinogen, noe som akselerer levringa - pasienter med genetiske skader i 3 –integrinunderenheten er disponert for økt blødning, noe som viser dette integrinets rolle i blodlevringa Binding av celler til matrikskomponenter kan og reguleres ved nedregulering av antall integrinmolekyler på celleoverflata. Integrinet 4 1, som er funnet på mange hematopoetiske celler og som binder fibronektin, viser et eksempel på dette. For at hematopoetiske celler skal vokse og differensiere må de være tilknytta ekstracellulært matriksfibronektin, som er danna av supporterceller i beinmargen. Ei minking i antall 4 1 - integrinmolekyler på hematopoetiske celler i sein fase av differensieringa tenkes å gi modne blodceller mulighet til å løsne fra matriksen i beinmargen, og deretter entre blodbanen.

De-adhesion Factors Promote Cell Migration and Can Remodel the Cell Surface – Strong adhesion to the extracellular matrix prevents cells from migration – In some cases normally nonmotile cells must quickly become motile (e. g. wound of skin-rapid migration of surrounding keratinocytes to the lesion area) De-adhesion of cells from the extracellular matrix: • inhibition of cell-matrix interactions • destruction of matrix components

Two classes of de-adhesion factors: • The 1 st class comprises disintegrins – small peptides contain the integrin-binding RGD sequence. – binding to intergrins on the surface of cells inhibition of binding of cells to matrix componens • The 2 nd class contains two type of proteasesboth degrade matrix components – fibrinogen – matrix-specific metalloproteinases

ADAM – a family of membrane-anchored glycoproteins • Conteins a disintegrin and metalloprotease domain • Domain participate in events that depend on remodeling of the cell surface (determination of cell fates during embryogenesis, fusion of a sperm and egg during fertilization, fusion of myoblasts during myogenesis) • for example sperm-egg fusion: protease is cleaved from ADAM leaving the disintegrin on the sperm cell to mediate binding to an integrion on the egg cell • such proteolytic processing is termed ectodomain shedding

Integrin-Containing Junctions Connect Cells to the Substratum Cells attach to the underlying extracellular matrix through two types of integrin-dependent junctions: – Focal adhesion • Attaching the actin cytoskeleton to fibers of fibronectin • Actin filaments of the stress fibers are attached to the subunit of integrins through adapter proteins • More than 20 proteins (actin-bining proteins, kinases, membranbinding proteins). Function of proteins - activation of adhesiondependent signals for cell growth and motility

– Hemidesmosomes • Mainly on the basal surface of epithelial cells • Anchoring of epithelial cells to the underlying basal lamina • Cytosolic side of hemidesmosome – plague composed of adapter proteins attached to the ends of keratin filaments • intergin 6 4 is lokalized to hemidesmoses and is thought to bind to an adapter protein (pectin) and to the extracellular-matrix protein laminin

22. 3 Kollagen - Et fiber protein • Kollagen som fiberprotein • Kollagens struktur og oppbygning (trippel helix) • Hvordan kollagen danner fibervev vha sideveis interaksjon • Hvor foregår dannelse av kollagen og sammensettelse av kollagen fiber • Sykdom og lidelser forårsaket av defekter ved kollagen dannelse • Diverse strukturer bygd av kollagen proteiner

Kollagen • Fiberprotein som utgjør hoveddelen av ekstracellulær matrix og bindevev – Det protein det dannes mest av i dyreriket • Oppdaget 16 forskjellige typer – 80 -90% består av type I, II og III • Skilles ut i all hovedsak av fibroblast celler, men også epitel celler danner ulike typer kollagen

Strukturell enhet: Trippel heliks (1) • kollagen type I er lett å isolere og var den første til å bli karakterisert • Det viser seg at alle kollagen typer hadde liknende oppbygning • Lang (300 nm) og tynn (1, 5 nm i diameter) • Består av tre coilede underenheter: to 1(I) kjeder og en 2(I) -1050 aa - høyrehendt heliks

Strukturell enhet: Trippel heliks (2) • Strukturen består av et uvanlig høyt innhold av glysin, prolin og hydroksyprolin – Gly-Pro-x (repetativt)

Strukturell enhet: Trippel heliks (3) • En optimalisert sammensetning: – Glysin er eneste aa med sidegruppe som har rom sentrum av heliksen – Hydrogenbinding mellom glysin (NH) og karboksylgruppe i sideliggende karbonylgruppe (C=O) hjelper å holde de tre kjedene sammen – Den rigide vinkelen i bindingen C-N i prolin sørger foldingen som muliggjør den triple heliksen -heliks Prolin kollagen heliks

Kollagen fibriller dannes ved sideveis interaksjon • Kollagen (I, III og V) kan pakke seg sammen til fibriller (50 -200 nm i diameter) • Korte segmenter på endene av kollagen segmentet har en noe annerledes struktur • Rike på aa lysin og hydroksylysin • Kan danne kovalente aldol kryss-bindinger med lysin eller hydroksylysin i sideliggende kollagen segmenter

Kollagen fibriller dannes ved sideveis interaksjon • Aldol bindingene stabiliserer pakkingen og danner sterke fibriller (særlig type I) som kan strekkes uten å ødelegges • Fibriller pakket sammen danner kollagen fiber som blant annet utgjør senene som forbinder ben og muskler

Assembly of Collagen I Fibers (I) • Endoplasmic Reticulum (ER) – Synthesis of procollagen into the ER – Glycosilation of Lys (Gal, Glu) and Asn (long oligosaccharides) in the C-terminus propeptide – Hydroxilation of Pro in the middle of the chain – Alignment and disulfide bond formation between 3 procollagen molecules – Extracellular excretion

Assembly of Collagen I Fibers (II) • Extracellular Space – Cleavage of N- and C-terminus propeptides – formation of 3 -chain helical collagen (tropocollagen) – Polimerisation into long fibers

Mutations in Collagen I Genes • Collagen I molecule – 2 chains of α 1(I) and 1 chain of α 2(I) • Deletions, single aa change – Osteogenesis imperfecta (brittle-bone disease) – More severe in α 1(I) mutations – Change Gly other aa: unstable helices

Variasjon i collagenstruktur Collagenfibre og -nett • Cartilage (brusk? ) – Type II fibriller krysskobla med type IX collagen. • Tendons (sener) – langsgående fibriller, proteoglykan i flere retninger.

basal-lamina • Type IV collagen i trippel helix, • Laterale og Cterminale krysskoblinger.

22. 4 Komponenter i ECM som ikke er collagen • I tillegg til uløselige collagenfibre, inneholder ECM multiadhesive matrixproteiner og proteoglycaner v MULTIADHESIVE MATRIXPROTEINER • • • Lange, fleksible molekyler, med domener som binder til collagen, polysakkerider, proteiner på celleoverflata og signalmolekyler Hovedoppgave er å binde celler til ECM. Kan initiere cellulær respons gjennom signaltransduksjon En type kalt laminin finnes i basallamina sammen med collagen IV og en del andre proteiner, kan her binde til integrin på celleoverflata

22. 4 Komponenter i ECM som ikke er collagen • Fibronectin er en annen klasse multiadhesive matrixproteiner. Disse binder celler til ECM hvor dette inneholder fibrøse collagener. Fibronectin har bindingsseter for collagen og andre ECMkomponenter, og kan også binde til integrin. Studier har vist at sekvensen RGD (Arg-Gly-Asp) gjenkjenner integrin • Fibronectin er en dimer (fig 22 -22), og regulerer celleform og organisering av cytoskjelettet gjennom bindingen til ECM • I blodet finnes fibronectin som kan binde til fibrin i forbindelse med blodlevring, og bidra til å trekke blodplater til blodproppen ved binding til integrin på blodplatene

22. 4 Komponenter i ECM som ikke er collagen v PROTEOGLYCANER • Store molekyler som består av et sentralt protein med mange polysakkarider bundet til • Polysakkaridene er lineære repetisjoner kalt glycosaminoglykaner (GAG) • Sukkergruppene har gjerne en eller to sulfatresiduer bundet til, slik at molekylet blir negativt ladet

22. 4 Komponenter i ECM som ikke er collagen • Proteoglycaner finnes i ECM. . – f. eks. Aggrecan, en ansamling av proteoglycaner, vanlig i brusk • . . . og på celleoverflata – Her har molekylene en ekstraog en intracellulær del. Den ekstracellulære delen kan ofte binde vekstfaktorer og i noen tilfeller presentere disse for reseptorer på cella

22. 4 Komponenter i ECM som ikke er collagen • Hyaluronan (HA) er store molekyler bygd opp av repetisjoner av et disakkarid • Finnes i ECM rundt migrerende celler (særlig i embryo). Tillater at celler kan bevege seg og proliferere • Pga -binding mellom sukrene og interaksjon mellom kjedene blir lokale deler av HA stivt • HA gjør bindingsvev trykkbestandig ved å binder mye vann og danne en viskøs, hydrert gel som er ansvarlig for turgortrykket rundt cellene

22. 5 Den dynamiske plantecelleveggen • celleveggen rundt planteceller har mye av de samme funksjonene som den animalske ekstracellulære matrixen • samler celler til vev • signaliserer cellevekst og celledeling • kontrollerer plantedelenes form • gir lateral styrke

Cellulose Figur 22. 29 • plantecelleveggen består av et nettverk av cellulose, hemicellulose og pektin • cellulosemikrofibriller kryssbindes med hemicellulose via hydrogenbindinger

Cellulose • utgjør 20 -30 % av en plantes tørrvekt • består av glukosemolekyler som er bundet sammen med β(1 -4)-glykosidbindinger • dette kalles en glukankjede • glukankjedene danner videre en stavformet mikrofibrill (d=5 -15 nm) Figur 22. 31

Den sekundære celleveggen • innenfor primærveggen • består av flere lag; innenfor hvert lag er cellulosefibrillene parallelle, men orientert i forskjellige retninger Figur 22. 32

Extensin • et glykoprotein bestående av cirka 300 aminosyrer • omtrent 15% av celleveggen består av extensin • i likhet med collagen, inneholder extensin hydroksyprolin (Hyp) • omtrent halvparten av lengden til extensin består av sekvensen Ser-Hyp-Hyp. • bidrar til struktur

Lignin • kompleks, uløselig polymer bestående av fenolrester • finnes særlig i ved, gir styrke • er viktig for styrken til xylem (vedrør), som transporterer vann og ioner over lange avstander. • beskytter også planten mot patogener, insekter og andre dyr

Auxin • et plantehormon • signaliserer celleutvidelse • plantecellen øker raskt i størrelse i det vakuolen tar opp vann • cytosol og plasmamembran presses mot celleveggen, som er blitt løsere

Auxin • Syre-veksthypotesen: Figur 22. 33

Expansin Figur 22. 34 a)

Syntese av cellulose Figur 22. 35 a) • Cellulosemikrofibrille ne syntetiseres på utsiden av plasmamembranen vha UDP-glukose og ADPglukose, som dannes i cytosol

Syntese av cellulose • enzymet cellulose syntase er et integralt membranprotein • er et stort kompleks bestående av identiske subenheter som danner en rosett og “spinner” glukankjeder • glukankjedene danner umiddelbart mikrofibriller

Cellulosesyntese • cellulose syntase forflytter seg på utsiden av plasmamembranen, parallelt med mikrotubuli på innsiden av plasmamembranen

Plasmodesma Figur 22. 36 • åpne kanaler som forbinder nabocellers cytosol • fri diffusjon av molekyler 1000 MW, gjennom cellevegger opp til 90 nm tykke • d=90 nm

Plasmodesma • plasmamembraner fra naboceller utvider seg gjennom plasmodesma • i tillegg går en utvidelse av ER, kalt desmotubuler, fra en celle til en annen gjennom en ring i cytosol kalt annulus, slik at cytosolen mellom to celler henger sammen • plasmodesma blir brukt til celle-cellekommunikasjon, og mange typer molekyler diffunderer gjennom (proteiner, nukleinsyrer, metabolske produkter, plantevirus) • transport av slike molekyler er proporsjonalt med antallet plasmodesma • plasmodesma er reversibelt inhibert av Ca 2+.