АДГЕЗИЯ | ЛКМ Портал

(от лат. adhaesio — прилипание) одна из основных характеристик лакокрасочного материала, обозначает сцепление лакокрасочного покрытия с окрашенной поверхностью.

Адгезия может иметь механическую, химическую или электромагнитную природу и измеряется силой отрыва на единицу площади. Для улучшения адгезии применяют два метода: 1) используют промежуточный слой адгезива; 2) вводят в состав полимерной пленки специальные функциональные группы.

Адгезия в физике — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием (вандерваальсовым, полярным, иногда — образованием химических связей или взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, т. е. сцепление внутри однородного материала, в таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, т.

е. разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.

Адгезия существенно влияет на природу трения соприкасающихся поверхностей: так, при трении поверхностей с низкой адгезией трение минимально. В качестве примера можно привести политетрафторэтилен (тефлон), который в силу низкого значения адгезии в сочетании с большинством материалов обладает низким коэффициентом трения. Некоторые вещества со слоистой кристаллической решёткой (графит, дисульфид молибдена), характеризующиеся одновременно низкими значениями адгезии и когезии, применяются в качестве твёрдых смазок.

Адгезия полимеров происходит лучше в том случае, если макромолекулы полярны и имеют большое число химически активных функциональных групп. Для улучшения адгезии в состав клея или плёнкообразующего полимера вводят активные добавки, молекулы которых одним концом прочно связываются с плёнкой, другим — с подложкой, образуя ориентированный адсорбционный слой. При контакте двух объёмов одного и того же полимера может произойти автогезия (самослипание), когда имеет место диффузия макромолекул или их участков из одного объёма в другой.

При этом прочность связи со временем увеличивается, стремясь к пределу — когезионной прочности.

Наиболее известные адгезионные эффекты — капиллярность, смачиваемость/несмачиваемость, поверхностное натяжение, мениск жидкости в узком капилляре, трение покоя двух абсолютно гладких поверхностей. Критерием адгезии в некоторых случаях может быть время отрыва слоя материала определенного размера от другого материала в ламинарном потоке жидкости.

Адгезия имеет место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения покрытий. Адгезия матрицы и наполнителя композитов (композиционных материалов) является также одним из важнейших факторов, влияющих на их прочность.

В биологии клеточная адгезия — не просто соединение клеток между собой, а такое их соединение, которое приводит к формированию определённых правильных типов гистологических структур, специфичных для данных типов клеток. Специфичность клеточной адгезии определяется наличием на поверхности клеток белков клеточной адгезии — интегринов, кадгеринов и др.

АДГЕЗИЯ — это… Что такое АДГЕЗИЯ?

(от лат. adhaesio — прилипание, сцепление, притяжение) — связь между разнородными конденсированными телами при их контакте. Частный случай А.- аутогезия, проявляющаяся при соприкосновении однородных тел. При А. и аутогезии сохраняется граница раздела фаз между телами, в отличие от когезии, определяющей связь внутри тела в пределах одной фазы. Наиб. значение имеет А. к твёрдой поверхности (субстрату). В зависимости от свойств адгезива (прилипшего тела) различают А. жидкости и твердых тел (частиц, плёнок и структурированных упруговязкопластич. масс, напр. расплавов, битумов). Аутогезия характерна для твёрдых плёнок в многослойных покрытиях и частиц, определяет прочность дисперсных систем и композиц. материалов (порошков, грунта, бетона и др.).

А. зависит от природы контактирующих тел, св-в их поверхностей и площади контакта. А. определяется силами межмолекулярного притяжения и усиливается, если одно или оба тела электрически заряжены, если при контакте тел образуется донорно-акцепторная связь, а также вследствие капиллярной конденсации паров (напр.

, воды) на поверхностях, в результате возникновения хим. связи между адгезивом и субстратом. В процессе диффузии возможны взаимное проникновение молекул контактирующих тел, размывание границы раздела фаз и переход А. в когезию. Величина А. может измениться при адсорбции на границе раздела фаз, а также за счёт подвижности полимерных цепей Между твёрдыми телами в жидкой среде формируется тонкий слой жидкости и возникает расклинивающее давление, препятствующее А. Следствием А. жидкости к поверхности твёрдого тела является смачивание.

Возможность А. при изотермич. обратимом процессе определяется убылью свободной поверхностной энергии, к-рая равна равновесной работе адгезии :

где — поверхностные натяжения субстрата 1 и адгезива 2 на границе с окружающей средой 3 (напр., воздухом) до А. и при А. С увеличением поверхностного натяжения субстрата А. растёт (напр., велика для металлов и мала для полимеров). Приведённое ур-ние является исходным для расчёта равновесной работы А. жидкости. А. твёрдых тел измеряется величиной внеш. воздействия при отрыве адгезива, А. и аутогезия частиц — средней силой (рассчитывается как матем. ожидание), а порошка — уд. силой. Силы А. и аутогезии частиц увеличивают трение при движении порошков.

При отрыве плёнок и структурир. масс измеряется адгезионная прочность, к-рая, кроме А., включает усилие на деформацию и течение образца, разрядку двойного электрич. слоя и др. побочные явления. Адгезионная прочность зависит от размеров (толщины, ширины) образца, направления и скорости приложения внеш. усилия. При А., слабой по сравнению с когезией, имеет место адгезионный отрыв, при относительно слабой когезии — когезионный разрыв адгезива. А. полимерных, лакокрасочных и др. плёнок определяется смачиванием, условием формирования площади контакта жидким адгезивом и при его затвердевании образованием внутр. напряжений и ре-лаксац. процессами, влиянием внеш. условий (давления, темп-ры, электрич. поля и др.), а прочность клеевых соединений — ещё и когезией отвердевшей клеевой прослойки.

Изменение А. вследствие возникновения двойного электрич. слоя в зоне контакта и образования донор-но-акцепторной связи для металлов и кристаллов определяется состояниями внеш. электронов атомов поверхностного слоя и дефектами кристаллич. решётки, полупроводников — поверхностными состояниями и наличием примесных атомов, а диэлектриков — дипольным моментом функциональных групп молекул на границе фаз. Площадь контакта (и величина А.) твёрдых тел зависит от их упругости и пластичности. Усилить А. можно путём активации, т. е. изменения морфологии и энергетич. состояния поверхности ме-ханич. очисткой, очисткой с помощью растворов, вакуумированием, воздействием эл.-магн. излучения, ионной бомбардировкой, а также введением разл. функциональных групп. Значит. А. металлич. плёнок достигается электроосаждением, металлич. и неме-таллич. плёнок — термич. испарением и вакуумным напылением, тугоплавких плёнок — с помощью плазменной струи.

Совокупность методов определения А. наз. адгезиометрией, а приборы их реализующие — адгезиометрами. А. может быть измерена при помощи прямых (усилие при нарушении адгезионного контакта), неразрушающих (по изменению параметров ультразвуковых и эл.-магн. волн вследствие поглощения, отражения или преломления) и косвенных (характеризующих А. в сопоставимых условиях лишь относительно, напр. отслаиванием плёнок после надреза, наклоном поверхности для порошков и др.) методов.

Лит.: 3имон А. Д., Адгезия пыли и порошков, 2 изд., М., 1976; его же, Адгезия пленок и покрытий, М., 1977; его же, Что такое адгезия, М., 1983; Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П., Адгезия твердых тел, М., 1973; 3имон А. Д., Андрианов Е. И., Аутогезия сыпучих материалов, М., 1978; Басин В. Е., Адгезионная прочность, М., 1981; Коагуляционные контакты в дисперсных системах, М., 1982; Вакула В. Л., Притыкин Л. М., Физическая химия адгезии полимеров, М., 1984.

А. Д. Зимон.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Биология для студентов — 012. Адгезия живых клеток

При формировании ткани и в ходе её функционирования важную роль играют процессы межклеточной коммуникации:

• узнавание,
• адгезия.

Узнавание — специфическое взаимодействие клетки с другой клеткой или внеклеточным матриксом. В результате узнавания неизбежно развиваются следующие процессы:

• прекращение миграции клеток,
• адгезия клеток,
• образование адгезионных и специализированных межклеточных контактов.
• формирование клеточных ансамблей (морфогенез),
• взаимодействие клеток между собой в ансамбле и с клетками других структур.

Адгезия — одновременно и следствие процесса клеточного узнавания, и механизм его реализации — процесс взаимодействия специфических гликопротеинов соприкасающихся плазматических мембран распознавших друг друга клеточных партнёров или специфических гликопротеинов плазматической мембраны и внеклеточного матрикса. Если специальные гликопротеины плазматических мембран взаимодействующих клеток образуют связи, то это и означает, что клетки узнали друг друга. Если специальные гликопротеины плазматических мембран узнавших друг друга клеток остаются в связанном состоянии, то это поддерживает слипание клеток — клеточную адгезию.

Роль молекул адгезии клеток в межклеточной коммуникации. Взаимодействие трансмембранных молекул адгезии (кадгерины) обеспечивает узнавание клеточных партнёров и их прикрепление друг к другу (адгезию), что позволяет клеткам-партнёрам сформировать щелевые контакты, а также передавать сигналы от клетки к клетке не только при помощи диффундирующих молекул, но и путём взаимодействия встроенных в мембрану лигандов со своими рецепторами в мембране клетки-партнёра. Адгезия — способность клеток избирательно прикрепляться друг к другу или к компонентам внеклеточного матрикса. Клеточную адгезию реализуют специальные гликопротеины — молекулы адгезии. Прикрепление клеток к компонентам внеклеточного матрикса осуществляют точечные (фокальные) адгезионные контакты, а прикрепление клеток друг к другу — межклеточные контакты. В ходе гистогенеза клеточная адгезия контролирует:

 начало и конец миграции клеток,

 образование клеточных сообществ.

Адгезия — необходимое условие поддержания тканевой структуры. Узнавание мигрирующими клетками молекул адгезии на поверхности других клеток или во внеклеточном матриксе обеспечивает не случайную, а направленную миграцию клеток. Для образования ткани необходимо, чтобы клетки объединились и были связаны между собой в клеточные ансамбли. Клеточная адгезия важна для образования клеточных сообществ практически всех типов тканей.

Молекулы адгезии специфичны для каждого типа ткани. Так, Е-кадгерин связывает клетки эмбриональных тканей, Р-кадгерин — клетки плаценты и эпидермиса, N-CAM — клетки нервной системы и т.д. Адгезия позволяет клеточным партнёрам обмениваться информацией через сигнальные молекулы плазматических мембран и щелевые контакты. Удержание в соприкосновении при помощи трансмембранных молекул адгезии взаимодействующих клеток позволяет другим мембранным молекулам связываться между собой для передачи межклеточных сигналов.

Различают две группы молекул адгезии:

• семейство кадгерина,
• надсемейство иммуноглобулинов (Ig).

Кадгерины — трансмембранные гликопротеины нескольких типов. Надсемейство иммуноглобулинов включает несколько форм молекул адгезии нервных клеток — (N-CAM), молекулы адгезии L1, нейрофасцин и другие. Они экспрессируются преимущественно в нервной ткани.

Адгезионный контакт. Прикрепление клеток к молекулам адгезии внеклеточного матрикса реализуют точечные (фокальные) адгезионные контакты. Адгезионный контакт содержит винкулин, α-актинин, талин и другие белки. В образовании контакта участвуют также трансмембранные рецепторы — интегрины, объединяющие внеклеточные и внутриклеточные структуры. Характер распределения макромолекул адгезии во внеклеточном матриксе (фибронектин, витронектин) определяет место окончательной локализации клетки в формирующейся ткани.

Структура точечного адгезионного контакта. С белковыми макромолекулами внеклеточного матрикса (фибронектин, витронектин) взаимодействует трансмембранный белок-рецептор интегрин, состоящий из α- и β-цепей. На цитоплазматической стороне клеточной мембраны β-СЕ интегрина связывается с талином, взаимодействующим с винкулином. Последний связывается с α-актинином, образующим поперечные связи между актиновыми нитями.

Адгезия Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

Кктково-м’язова система: вiд Адо Я

БОЛЬ. СУСТАВЫ

позвоночник

Ведущая рубрики:

ДЕДУХ Н.В.

Заведующая лабораторией морфологии соединительной ткани ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», доктор биологических наук, профессор

В биологии понятие «адгезия» включает в себя способность клеток формировать определенные типы гистологических структур, прикрепляться к субстратам, в том числе и синтетическим, которые используются в качестве заместительных материалов в хирургии. Специфичность клеточной и межклеточной адгезии определяется экспонированием на наружной поверхности клеток и присутствием в мат-риксе определенной комбинации и концентрации молекул рецепторов, в качестве которых выступаю т различные белковые молекулы. У внутренней поверхности плазматической мембраны рецепторы адгезии взаимодействуют с целым комплексом примембранных белков, которые служат для регулирования их функций, связи с цитоскелетом, а также для трансдукции сигналов с клеточной поверхности. Способность клеток к специфическому взаимному узнаванию и адгезии важна для эмбрионального развития, а у взрослого человека адгезивные взаимодействия «клетка — клетка» и «клетка — матрикс» существенны для поддержания стабильности тканей и их функционирования.

Молекулы адгезии к внеклеточному матриксу и молекулы межклеточной адгезии разделяются на следующие группы: интегрины, кадгерины, иммуноглобулины и селектины, а также протеогликаны и гликопротеины. Благодаря присутствию этих молекул клетки способны избирательно связываться с другими клетками и с внеклеточным матриксом.

Молекулы адгезии

В многочисленном семействе рецепторов клеточной адгезии наиболее изучены интегрины, селектины, кадгерины и иммуноглобулины.

Интегрины. Идентифицировано около 20 разных членов семейства рецепторов-интегринов в разных типах клеток. Интегрины представляют собой поверхностные гетероди-мерные белки, которые обеспечивают адгезию клеток к компонентам внеклеточного матрикса и к другим клеткам. Индивидуальные интегрины строго специфичны. Центр связывания интегринов образован внеклеточными доменами а- и Р-субъединиц [1]. Интегрины функционируют в качестве как клеточно-субстратных, так и межклеточных адгезивных ре-

цепторов, то есть они узнают и связывают молекулы межклеточного матрикса, имеющие определенную аминокислотную последовательность, такую как Арг-Гли-Асп, присутствующую в коллагене I типа, фибронектине, фибриногене, лами-нине и др.; также, являясь трансмембранными белками, они взаимодействуют и с белками цитоскелета клетки. Передача информации может идти в направлении от внутриклеточных белков через рецептор во внеклеточный матрикс, а также из внеклеточной среды в клетку, определяя таким образом направленность ее дифференцировки, форму, митотическую активность, а также способность к движению. Исследования рецепторов интегринов важны для изучения взаимодействия клетки с коллагенами и фибронектином.

Таким образом, клеточно-матриксные взаимодействия интегринов модулируют широкий спектр поведения клеток за счет лиганд-рецепторного взаимодействия, вызывая специфический ответ клетки.

Кадгерины — семейство трансмембранных Са2+-зависи-мых гликопротеинов, участвующих в межклеточной адгезии [2]. Эти молекулы состоят из 723—748 аминокислотных остатков, являются важной составной частью адгезивных контактов, ответственны за организацию цитоскелета клетки. Кадгерины появляются в основном при межклеточной адгезии на стадиях морфо- и органогенеза. Они обеспечивают структурную целостность тканей (особенно эпителиального монослоя).

Селектины — семейство адгезивных гликопротеи-дов, которые имеют три характерные черты: вариабельное число (от 2 до 9) повторов комплемент-регулятор-ных белков, домен эпидермального фактора роста (EGF) и М-концевой лектиновый домен [2]. Физиологическая роль селектинов зависит от особенностей их организации. Хорошо изучены селектины Ь, Р и Е, а также глико-протеиновый лиганд-1 Р-селектина [1].

Иммуноглобулины. К суперсемейству иммуноглобулинов принадлежит ряд молекул адгезии эндотелиальных клеток, в том числе молекулы межклеточной адгезии, обозначаемые как 1САМ-1, -2, -3, УСАМ-1. На эндотелиальных клетках они являются поверхностными лигандами для интегри-

нов ЦЛ-1 и УЬА-4. УСЛМ-1 играет важную роль в адгезии лимфоцитов. Высокий уровень экспрессии 1САМ-2 имеет место на покоящихся эндотелиальных клетках.

Адгезивные рецепторы суперсемейства иммуноглобулинов участвуют в межклеточной адгезии, которая особенно важна в эмбриогенезе, заживлении ран и при иммунном ответе.

Фокальные комплексы адгезии

Клетки прикрепляются к поверхности только в отдельных локусах, так называемых точках фокальной адгезии. Фокальные комплексы адгезии индивидуальны для различных типов клеток. В среднем расстояние от клеток до субстрата в фокальных контактах составляет 10—15 микрон. Идентифицировано более 50 белков, принимающих участие в процессах адгезии клеток к матриксу [3].

Адгезия клеток тесно связана с функционированием аппарата движения клеток — микрофибриллами и микротрубочками, в которых формируются фокальные комплексы. Классы адгезивных структур зависят от натяжения и активности разных членов семейства генов. В качестве примера: гены КЬо активны для актинового цитоскелета, а гены Иас1 и КЬоА — для цитоскелета микротрубочек, что необходимо для поляризации и движения, гены Иас1 и Сёс42 — для формирования фокальных комплексов [4]. Цитоскелет в адгезивных взаимодействиях, вероятно, принимает участие в стабилизации молекул клеточной адгезии, что облегчает многоточечное связывание, а также придает прикрепляющейся клетке способность оказывать адгезию по отношению к соседней клетке или внеклеточному матриксу (и наоборот). От набора специфических типов молекул клеточной адгезии, присутствующих на поверхности двух соседних клеток, их распределения на ней, а также от их концентрации, связи с цитоске-летом зависит итоговая аффинность, при которой две соседние клетки связываются друг с другом или с внеклеточным матриксом [5].

В целом формирование фокальных комплексов адгезии — это скоординированная работа различных генов, экспрес-сирующих белки адгезии. Усиление связывания, осуществляемого молекулами клеточной адгезии, достигается за счет одновременного функционирования множества рецепторов с большим количеством лигандов на поверхности соседней клетки или в прилегающем матриксе. Адгезия двух типов клеток может модифицироваться в результате повышения количества адгезивных молекул на плазматической мембране либо при изменении их аффинности. Это может происходить двумя путями — за счет внутриклеточных везикул, способных активизироваться и через несколько минут устремляться к плазматической мембране, либо путем биосинтеза молекул и переноса их к мембране, что занимает несколько часов.

В классе молекул адгезии клетки с межклеточным веществом наиболее изучен ламинин — гетеротримерный протеин, состоящий из трех полипептидных цепей — а, Р и у. На сегодня для позвоночных описано 5 различных а-цепочек (а1—а5), 3 различных Р-цепочки (Р1—Р3) и у-цепочки (у1—у3). Комбинация этих цепочек формиру-

ет около 15 изоформ ламинина с профилем экспрессии, значительно отличающимся в различных тканях и на этапах развития [6]. Ламинины регулируют множество биологических функций, включая клеточную адгезию, движение клеток, пролиферацию, дифференциацию и продолжительность существования. Взаимодействие клеток с ламинином матрикса обеспечивается различными рецепторами, расположенными на поверхности клетки, включая интегрины а3р1, абр1, абр4 и а7р1.

Ламинины выявляются в различных клетках и тканях, в том числе в кости и межпозвоночном диске.

С нарушением способности клеток к прикреплению и избирательности адгезии связан широкий спектр патологических состояний: нейромышечных и неврологических расстройств, хронических воспалений, дегенеративных заболеваний, а также опухолевой инвазии и метастазирования.

Межпозвоночный диск и адгезия клеток

Межпозвоночный диск человека является динамичной структурой, которая претерпевает существенное изменение в макромолекулярной организации матрикса, составе и популяции клеток в процессе роста, старения и дегенерации. Межпозвоночный диск состоит из двух различных тканей — студенистого ядра и фиброзного кольца. Фиброзное кольцо представлено пластинами упорядоченно расположенных коллагеновых волокон, состоящих из коллагенов I и II типов [7]. Клетки фиброзного кольца (фиброхондроциты) ориентированы параллельно основному направлению волокон коллагена в пластинках и формируют длинные отростки, что помогает адгезии с межклеточным матриксом [8, 9]. Клетки внутреннего отдела фиброзного кольца и студенистого ядра имеют округлую форму, формируют перицеллюлярный матрикс, состоящий из фибронектина, коллагенов VI и II типов, а также протеогликанов. В студенистом ядре содержится большое количество беспорядочно расположенных волокон коллагена II типа и высокая концентрация протеогликанов.

Наиболее выраженные изменения в межпозвоночном диске происходят в центральном отделе студенистого ядра. При этом гелеобразная ткань теряет свою структурную организацию за счет снижения содержания протеогликанов и воды, нарушения адгезии клеток, что сопровождается дегенерацией структуры фиброзного кольца и студенистого ядра.

Клетки студенистого ядра синтезируют растворимые факторы, стимулирующие биосинтез и пролиферацию клеток в фиброзном кольце [10, 11].

Ламинины, располагаясь в матриксе, путем адгезии с клетками диска поддерживают их жизнеспособность и способствуют сохранению их фенотипа. Ламинин-клеточное взаимодействие является важной и уникальной составляющей для функционирования межпозвоночного диска.

Специфические изоформы ламининов и рецепторов были идентифицированы в различных областях межпозвоночного диска, но наиболее детально изучены в студенистом ядре.

В незрелом студенистом ядре и изолированных клетках методами иммуногистохимии была идентифицирована изо-

№ 4, 2011

www.pain.mif-ua.com

45

форма ламинина 111, адгезирующая длинные нотохордаль-ные клетки с помощью изоформ ламинина 511 и рецепторов интегринов (а6 и 4Р, СБ239) [12—14]. Также выявлен высокий уровень экспрессии цепочки у1-ламинина в незрелых клетках студенистого ядра, параллельно с экспрессией а6-субъединицы интегрина, и показано, что клетки студенистого ядра соединяются с ламинином 111 через интегрин-проводящий путь, который характерен только для этих клеток, в отличие от клеток смежного фиброзного кольца [13]. Выявлена адгезия клеток зрелого студенистого ядра с коллагеном II типа и с фибронектином межклеточного матрикса при участии изоформ ламинина 511 и 332. При этом адгезивная способность этих макромолекул была значительно больше по сравнению с ламинином 111. Однако изоформы лами-нина специфичны для незрелой и зрелой ткани студенистого ядра, связанных с ней рецепторов и их функциональное значение остается недостаточно изученным.

Значительные различия изоформ ламинина наблюдались между клетками студенистого ядра и фиброзного кольца, в том числе имели место различия в экспрессии а6-интегрина, субъединиц Р3 Р4 Р6 клеточной адгезии. Содержание ламини-нов выше в студенистом ядре по сравнению с фиброзным кольцом [15].

Адгезивные качества в диске могут зависеть от особенностей организации аггрекана. Межпозвоночный диск — это бессосудистая ткань. В качестве субстрата, ингибирующего прорастание сосудов в диск и их адгезию, выступает аггрекан, в частности соотношение в нем цепей гликозаминогликанов (хондроитинсульфаты и кератансульфаты) [16]. Выявлено, что аггреканы, присутствующие в фиброзном кольце, обла-

Список литературы

1. Голенченко В.А. Биологические мембраны / Биохимия: Учеб. для вузов / Под ред. Е.С. Северина — М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. — С. 245-248.

2. Молекулы адгезии. — Электронный ресурс. Режим доступа: http://laboratory.rusmedserv.com/files/41_Molekuly_Adgezii. pdf.

3. Zamir E. Molecular complexity and dynamics of cell-matrix adhesions / E. Zamir, B. Geiger // J. Cell Sci. — 2001. — Vol. 114. — P. 3583-3590.

4. Rho proteins, PI 3-kinases and monocyte/macrophage motility / A.J. Ridley, K.A. Beningo, M. Dembo et al. // FEBS Lett. — 2001. — Vol. 498. — P. 168-171.

5. Молекулы клеточной адгезии и рецепторы: сравнение функционирования. — Электронный ресурс. Режим доступа: http://humbio.ru/humbio/cytology/0000fac4.htm.

6. Colognato H. Form and function: the laminin family of geterotrimers / H. Colognato, P.D. Yurchenco // Dev. Dyn. — 2000. — Vol. 218. — P. 213-234.

7. Schollmeier G. Observationson fiber-forming collagens in the annulus

fibrosus / G. Schollmeier, R. Lahr-Eigen, K.U. Lewandrowski // Spine. — 2000. — Vol. 25. — P. 2736-2741.

8. Regional variations in the cellular matrix of the annulus fibrosus of the

intervertebral disc / S.B. Bruehlmann, J.B. Rattner, J.R. Matyas, N.A. Duncan // J. Anat. — 2002. — Vol. 201. — P. 159-171.

9. The micromechanical environment of intervertebral disc cells determined by a finite deformation, anisotropic, and biphasic finite element model / A.E. Baer, T.A. Laursen, F. Guilak, L.A. Setton // J. Biomech. Eng. — 2003. — Vol. 125. — P. 1-11.

10. Boyd L.M. Conditioned medium differentially regulates matrix protein gene expression in cells of the intervertebral disc / L.M. Boyd, J. Chen, L.A. Setton // Spine. — 2004. — Vol. 29, № 20. — P. 2217-2222.

дают более выраженным ингибирующим действием на адгезию эндотелиальных клеток по сравнению с клетками пуль-позного ядра [17].

Имеются единичные исследования, в которых была изучена экспрессия субъединиц интегринов, коллагена и фибронектина в дисках с грыжами [18]. С помощью поли-меразной цепной реакции и иммунопреципитации были оценены а1-, а2-, а5-, ау-, Р1- и р3-субъединицы интегрина, измерен уровень и-РНК, экспрессирумой для коллагенов I и II типов, а также для фибронектина. Экспрессия субъединиц а5 и Р1 была увеличена в межпозвоночных дисках с протрузией и особенно в дисках с экструзией. Различий в экспрессии а1, а2, ау и Р3 в нормальных и дегенеративных дисках не выявлено. Фибронектин, связывающий интегриновые рецепторы а5 и Р1, был повышен. В дисках с грыжеобразованием было также повышено содержание коллагена I типа, а коллагена II типа — снижено. Эти результаты можно объяснить нарушением адгезии между клетками и матриксом при дегенерации.

Еще одним вопросом, нуждающимся в изучении, является исследование адгезивных возможностей биоматериалов. Перспективным может быть насыщение поверхности биоматериалов адгезивными молекулами для лучшего контакта им-плантата с тканью реципиента [19].

Таким образом, одно из актуальных направлений в изучении клеточно-матриксных взаимодействий — это исследование молекул адгезии, вносящих определенный вклад в двигательные функции клетки в норме и патологии, влияющих на ее пролиферацию и метаболизм, формирование и поддержание жизнеспособности клеток и тканей.

11. Erwin W.M. Notochord cells regulate intervertebral disc chondrocyte proteoglycan production and cell proliferation / W.M. Erwin, R.D. Inman // Spine. — 2006. — Vol. 31, № 10. — P.1094-1099.

12. Nettles D.L. Integrin expression in cells of the intervertebral disc / D.L. Nettles, W.J. Richardson, L.A. Setton // J. Anat. — 2004. — Vol. 204. — P. 515-520.

13. Functional integrin subunits regulating cell-matrix interactions in the intervertebral disc / C.L. Gilchrist, J. Chen, W.J. Richardson et al. // Journal oforthopaedic research: official publication of the Orthopaedic Research Society. — 2007. — Vol. 25, № 6. — P. 829-340.

14. Expression of laminin isoforms, receptors and binding proteins unique to nucleus pulposus cells of immature intervertebral disc / J. Chen, L. Jing, C.L. Gilchrist et al. // Connect Tissue Res. — 2009. — Vol. 50, № 5. — P. 294-306.

15. Gilchrist C.L. Nucleus pulposus cell-matrix interactions with laminins / C.L. Gilchrist, A.T. Francisco, G.E. Plopper // European Cells and Materials. — 2011. — Vol. 21 — P. 523-532.

16. Roberts S. Human intervertebral disc aggrecan inhibits endothe-lial cell adhesion and cell migration // Quality validation date: 2006-08-01 — http://cordis.europa.eu/search/index.cfm?fuseaction= result.document&RS_LANG=EN&RS_RCN=8736051&pid=0&q =333B31F93B8EDF8EEAF50068770EAFC7&type=adv.

17. Human intervertebral disc aggrecan inhibits endothelial cell adhesion and cell migration in vitro / W.E.B. Johnson, B. Caterson, S.M. Eisenstein, S. Roberts // Spine. — 2005. — Vol. 30, Iss. 10. — P. 1139-1147.

18. Xia М. Expression ofintegrin subunits in the herniated intervertebral disc / М. Xia, Y. Zhu // Connect. Tissue Res. — 2008. — Vol. 49, № 6. — P. 464-469.

19. Laminin-functionalized biomaterials for intervertebral disc regeneration / A.T. Francisco, D. Phu, R.J. Mancino et al. — Электронный ресурс. Режим доступа: www.abstracts.conferencestrategists.com.

Получено 22.11.11 ■

Simplified Human Neutrophil Extracellular Traps (NETs) Isolation and Handling

Нейтрофилов внеклеточных ловушек (НРТ) недавно обнаружили элементы нейтрофилов, полученных состоящие из нитей внеклеточной ДНК, украшенный сотнями белков и гистонов. Они вырабатываются нейтрофилов в контексте инфекции и воспаления следующие конкретные стимулы, и они были первоначально признаны как часть нейтрофилов в защитных механизмов против инфекции. Они были впервые показаны в целях содействия захвата различных микробных захватчиков в том числе бактерий, вирусов и грибков ^1-3. Захват микроба бы затем привести к его разрушению как непосредственно Net-ассоциированных белков ^3,4 и косвенно, через местной основе фагоцитирующих клеток ^5,6. Роль сетей, однако, похоже, не ограничивается иммунной защиты. Совсем недавно, они, как было показано, играют важную роль в аутоиммунных заболеваний ^7,8, тромбоз ^9, связанных с беременностью расстройств ¹⁰ и даже прогрессирование рака^11,12. Соответственно, очевидно, что НРТ играют важную роль в большом количестве различных физиологических процессах. Однако, учитывая роман характер таких исследований, многое еще предстоит выяснить в отношении механизмов, посредством которых НРТ проявляют свое действие. Здесь мы представляем упрощенный метод для изоляции сетей при отсутствии нейтрофилов.

В следующем видео мы демонстрируем Простота и удобство технику, чтобы изолировать сетей с помощью цельной крови человека. Бесклеточные НРТ затем могут быть использованы в ряде экспериментов в пробирке в том числе окрашивание, imuunofluorescence, блоттинга, а также ряда анализов, таких как адгезии, пролиферации и миграции. Существуют и другие протоколы, ^{13, 19,} тем не менее, они, как правило, длительный, сложный, дорогостоящий, и часто, низкий выход ^13. Этот упрощенный протокол использует основные реагенты и уменьшает количество шагов, необходимых для выделения нейтрофилов, следовательно, свести к минимуму длину процедуры, применяемыеRe при максимальном урожай.

Следующий метод сочетает в себе различные методы для выделения нейтрофилов ранее описаны в литературе, чтобы получить простой протокол получая очень чистый образец живых нейтрофилов. Как было предложено в литературе, венозной крови собирают в пробирки с ЭДТА и использовать в течение 10 мин, чтобы избежать активации нейтрофилов ^14. Мы используем лимфоцитов раздела сред (МНК) центрифугирования в градиенте плотности для выделения гранулоциты и эритроциты из гепаринизированной цельной крови, способу приспособленного с техникой плотности Ficoll центрифугированием первоначально описанной Boyum и др ^15. LSM является модификация состава Boyum, который замещает диатризоат натрия для metrizoate натрия и успешно используется во многих исследованиях, чтобы изолировать нейтрофилы ^16-18.

После дифференциального центрифугирования в градиенте плотности, моноциты и лимфоциты отбрасываются; красные кровяные клетки затем осаждаютс использованием 6% -ного раствора декстрана ^14, а остальные эритроциты лизируют, чтобы получить население чистой нейтрофилов, что проверяется с трипанового синего и метиленовый синий окрашивания.

Многочисленные агенты были использованы для индуцирования NETosis как в пробирке и в естественных условиях, в том числе липополисахарида (LPS), а также форболмиристатацетата (РМА) и интерлейкины (IL-8) ^3,5,6. В следующем протоколе, изолированные нейтрофилы стимулировали 500 нМ ФМА в течение 4 ч, который, как было показано, чтобы быть адекватной концентрации, чтобы обеспечить постоянное и надежное формирование чистого, не способствуя апоптозу ^19,20.

После выделения, показано, как бесклеточных НРТ, полученные из этого протокола могут быть использованы в анализе адгезии. DNAse1 используется, чтобы переварить и ухудшает сетей не как описано выше, и, таким образом, служит в качестве контроля ^2,3,11. Другие варианты включают в себя использование ингибитора эластазы нейтрофилов (Nei) ингибировать NET formatiна, который является приемлемой альтернативой, когда цель заключается в ингибировании формирование чистого, а не производить их деградации ^11. Хотя NEi имеет ряд различных функций, ранее было показано, что NET осаждения может быть запрещена по Неи через блокирование хроматина деконденсации, ядерной дегрануляции и нейтрофилов смерти ¹²

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Клеточная адгезия | www.globalntg.ru

В середине прошлого века в биологии возникает огромный интерес к проблеме клеточной адгезии. Как клетки взаимодействуют друг с другом, какие механизмы при этом задействованы? Почему этот вопрос начинает активно интересовать биологов?

В биологию был привнесен чисто технический термин – адгезия, что означает взаимодействие поверхностей. Форма клеток, состояние их взаимодействия и расположение в ткани (например, биопсийный материал, т.е. фрагмент патологической ткани, взятый у пациента) является важнейшим фактором диагноза заболевания. Гистологическое исследование долгое время, да и, пожалуй, до сих пор остается для врачей единственным достоверным способом определения патологии и стадии, на которой она находится. В результате многочисленных исследований было установлено, что клетки могут взаимодействовать друг с другом разнообразно, реализуя многочисленные механизмы. Важно, что эти данные в итоге явились основой важнейшего открытия: межклеточное пространство имеет сложное строение и организацию, и нарушение межклеточных взаимодействий приводит к развития патологического процесса. Оказалось, что клетки строят целые архитектонные сооружения, состоящие из многочисленных молекул белков, полисахаридов, липидов, которые обусловливают их взаимодействие. Их назвали ультраструктурами межклеточных контактов. Они подобно целым конструкциям соединяют клетки в ткани.

Однако были найдены и небольшие образования белков между клетками, их назвали адгезивными сайтами, т.е. это места где клетки взаимодействуют опосредовано определенным ансамблям белков. Но самое главное открытие, которое состоялось во второй половине прошлого века – это идентификация макромолекулярной структуры межклеточного пространства, получившей название внеклеточного мактрикса (ВКМ). Ее обнаруживают практически во всех тканях животных, огромное количество исследователей изучают ее пространственную организацию и биологическое действие. Выходят в свет многочисленные работы, монографии, демонстрирующие результаты непосредственной связи между состоянием ВКМ и основными процессами, в которые включены клетки: ВКМ руководит их пролиферацией, дифференцировкой, апоптозом. В основном, исследователи, работающие в данной области изучая состав и строение межклеточного пространства тканей, старались найти участвующие в адгезии клеток новые белки, полисахариды.

Наши зарубежные коллеги фактически полностью к началу 21 века открыли и охарактеризовали организацию межклеточного пространства тканей позвоночных животных. Они открыли множество семейств новых, ранее не изученных белков, полисахаридов, выявили гены, отвечающие за их синтез и работу, обнаружили связи, с помощью которых вся сложнейшая система макромолекулярных структур внеклеточного пространства тканей взаимодействует через плазматическую мембрану с другими супрамолекулярными системами клеток, например, цитоскелетом и, наконец, геномом. Еще в 1970 г замечательный исследователь Mina Bissel написала великолепную теоретическую статью, изданную в « J.Theoretical Biology» — How does extracellular matrix effect on gene expression? (Каким образом внеклеточный матрикс влияет на экспрессию генов?) Таких работ было много. Их наличие говорило о том, что исследовательский путь, объясняющий прохождение информационного (регуляторного) сигнала в клетку, был обозначен как возникающий из межклеточного пространства. Все ведущие биологические журналы постоянно печатали статьи по клеточной адгезии. Картина взаимодействия клеток между собой и с естественными подложками с каждым годом все более и более детализировалась. Более того, стало понятно, что при нарушении того или иного механизма клеточной адгезии возникают патологические состояния тканей: так нашли объяснения причины многих заболеваний.

Следует отметить, что все достижения наших коллег были получены исключительно за счет применения определенного методического подхода. Практически всегда для идентификации «новых» молекул адгезии применяли иммунохимический метод, т.е. молекулы адгезии находили с помощью антител к ним. Кроме того, иммунохимический метод позволял изучать локализацию адгезивных молекул в ткани, что было не менее ценно, чем их идентификация.

В нашей стране (еще в СССР) также достаточной активно изучались межклеточные контакты и адгезия. Однако, в основном, этой проблемой занимались биофизики, и поэтому методические подходы исследования отличались от подходов зарубежных коллег. В частности, у нас большой интерес вызывали вязко-упругие свойства отдельных структур межклеточных контактов, в том числе, и зоны «простого соединения», наиболее продолжительные структуры контакта двух соседних клеток, где их плазматические мембраны идут строго параллельно друг другу на расстоянии приблизительно 20нм.  В настоящее время считается, что эта самая обширная контактная поверхность представляет собой надмембранные компоненты клеточных поверхностей, и именно в этом пространстве нам удалось обнаружить новую супрамолекулярную структуру в тканях позвоночных животных.

Сайт Института Проблем Биорегуляции.

ИЗМЕНЕНИЯ АКТИВНОСТИ АДГЕЗИИ МОНОЦИТОВ К ЭНДОТЕЛИАЛЬНЫМ КЛЕТКАМ ПОД ВЛИЯНИЕМ КОМПОНЕНТОВ STREPTOCOCCUS PYOGENES | Лебедева

1. Старикова Э.А., Кузнецова С.А., Бурова Л.А., Фрейдлин И.С. Влияние лизатов Streptococcus pyogenes (тип М22) дикого типа и его мутантов по М-белкам на секрецию цитокинов эндотелиальными клетками и клетками крови здоровых доноров // Цитокины и воспаление. – 2010. – Т. 9, № 3. – С. 50-51.

2. van Amersfoort E. S., van Berkel T.J.C., Kuiper J. Receptors, mediators, and mechanisms involved in bacterial sepsis and septic shock // Clinical Microbiology Review. – 2003. – Vol. 16, N 3. – P. 379-414.

3. Burns E., Marsiel A., Musser J. Activation of a 66-Kilodalton Human endothelial Cell Matrix Metalloprotease by Streptococcus pyogenes Extracellular Cysteine Protease // Infection and Immunity. – 1996. – Vol. 64, N 11. – P. 4744-4750.

4. Fabriek B.O., van Bruggen R., Deng D.M., Ligtenberg A.J.M., Nazmi K., Schornagel K., Vloet R.P.M., Dijkstra C.D., van den Berg T.K. The macrophage scavenger receptor CD163 functions as an innate immune sensor for bacteria // Blood. – 2009. – Vol. 113, N 4. – P. 887-892.

5. Greenberg J.W., Fischer W., Joiner K.A. Influence of lipoteichoic acid structure on recognition by the macrophage scavenger receptor // Infection and Immunity. – 1996. – Vol. 64, N 8. – P. 3318-3325.

6. Imhof B.A., Aurrand-Lions M. Adhesion mechanisms regulating the migration of monocytes // Nature Reviews. Immunology. – 2004. – Vol. 4. – P. 432-444.

7. Janeway C.A., Travers P., Walport M., Shlomchik M.J. Immunobiology. The immune system in health and disease. – 2005. – 823 p.

8. Kimball E.S., Kovacs E., Clarc M.C., Schneider C.R. Activation of cytokine production and adhesion molecule expression on THP-1 myelomonocytic cells by macrophage colonystimulating factor in combination with interferon-γ // Journal of Leukocyte Biology. – 1995. – Vol. 58. – P. 585-594.

9. Meager A. Cytokine regulation of cellular adhesion molecule expression in inflammation // Cytokine & Growth Factor Reviews. – 1999. – Vol. 10. – P. 27-39.

10. Nobbs A.H., Lamont R.J., Jenkinson H.F. Streptococcus Adherence and Colonization // Microbiology and Molecular Biology Reviews. – 2009. – Vol. 73, N 3. – P. 407-450.

11. Patterson M.J. Streptococcus // Medical Microbiology. – 1996.

12. Petri B., Phillipson M., Kubes P. The Physiology of Leukocyte Recruitment: An In Vivo Perspective // Journal of Immunology. – 2007. – Vol. 180. – P. 6439-6446.

13. Shattock R.J., Friedland J.S., Griffin G.E. Release of Human Immunodeficiency Virus by THP-1 Cells and Human Macrophages Is Regulated by Cellular Adhesion and Activation // Journal of Virology. – 1993. – Vol. 67, N 6. – P. 3569-3575.

14. Thern A., Wдstfelt M., Lindahl G. Expression of two different antiphagocytic M proteins by Streptococcus pyogenes of OF+ lineage // The Journal of Immunology. – 1998. – Vol.160. – P.1-10.

15. Weber C., Fraemohs L., Dejana E. The role of junctional adhesion molecules in vascular inflammation // Nature Reviews. Immunology. – 2007. – Vol. 7. – P. 467-477.

16. de Winther M.P.J., van Dijk K.W., Havekes L.M., Hofker M.H. Macrophage scavenger receptor class A: a multifunctional receptor in atherosclerosis // Arteriosclerosis, Trombosis and Vascular Biology. – 2000. – Vol. 20. – P. 290-297.

Клетка-клеточная адгезия — Молекулярная биология клетки

Чтобы сформировать якорное соединение, клетки должны сначала прикрепиться. Затем необходимо собрать громоздкий цитоскелетный аппарат вокруг молекул, которые непосредственно обеспечивают адгезию. В результате получается четко очерченная структура — десмосома, гемидесмосома, очаговая адгезия или соединение сращений, — которые легко идентифицировать в электронном микроскопе. Действительно, электронная микроскопия послужила основой для оригинальной классификации клеточных соединений. Однако на ранних стадиях развития клеточных соединений, до того, как цитоскелетный аппарат собрался, клетки часто слипаются друг с другом, не проявляя четко этих характерных структур; в электронный микроскоп можно просто увидеть две плазматические мембраны, разделенные небольшой щелью определенной ширины.Тем не менее функциональные тесты показывают, что две клетки прикреплены друг к другу, а биохимический анализ может выявить молекулы, ответственные за адгезию.

Изучение соединений клетка-клетка и изучение адгезии клетка-клетка когда-то были совершенно разными усилиями, происходящими из двух различных экспериментальных подходов — соединений через электронно-микроскопическое описание и адгезии через функциональные тесты и биохимию. Только в последние годы эти два подхода начали сходиться в едином взгляде на молекулярные основы клеточных соединений и клеточной адгезии.В предыдущем разделе мы сосредоточились на структурах соединений зрелых клеток. В этом разделе мы обратимся к функциональным и биохимическим исследованиям механизмов межклеточной адгезии, которые действуют, когда клетки мигрируют по другим клеткам и когда они собираются в ткани, — механизмы, которые предшествуют построению якорных соединений зрелой клетки. Мы начинаем с важного вопроса для эмбрионального развития: какие механизмы гарантируют, что клетка прикрепляется к соответствующим соседям в нужное время?

Клетки животных могут собираться в ткани либо на месте, либо после миграции

Многие простые ткани, в том числе большинство эпителиальных тканей, происходят из клеток-предшественников, чье потомство не может блуждать, будучи прикрепленным к внеклеточному матриксу, другим клеткам или как для ().Но накапливающиеся клетки не просто остаются пассивно склеенными; вместо этого структура ткани создается и активно поддерживается за счет избирательных адгезий, которые клетки создают и постепенно приспосабливаются.

Рисунок 19-22

Простейший механизм, с помощью которого клетки собираются в ткань. Потомство клетки-основателя удерживается в эпителии базальной пластинкой и механизмами межклеточной адгезии, включая образование межклеточных соединений.

Избирательная адгезия еще более важна для развития тканей, которые имеют более сложное происхождение, включая миграцию клеток.В этих тканях одна популяция клеток вторгается в другую и собирается с ней и, возможно, с другими мигрирующими клетками, образуя упорядоченную структуру. У эмбрионов позвоночных, например, клетки из нервного гребня отрываются от эпителиальной нервной трубки, частью которой они изначально являются, и мигрируют по определенным путям во многие другие регионы (обсуждаемые в главе 21). Там они собираются с другими клетками и друг с другом, чтобы дифференцироваться в различные ткани, включая ткани периферической нервной системы ().

Рисунок 19-23

Пример более сложного механизма, с помощью которого клетки собираются в ткань. Некоторые клетки, которые изначально являются частью эпителиальной нервной трубки, изменяют свои адгезивные свойства и отделяются от эпителия, образуя нервный гребень на верхней поверхности (подробнее …)

Подвижность клеток и клеточная адгезия в совокупности вызывают эти виды морфогенетических процессов. События. Процесс требует некоторого механизма для направления ячеек к их конечному месту назначения.Это может включать хемотаксис , или хеморепульсию , секрецию растворимого химического вещества, которое привлекает или отталкивает мигрирующие клетки, соответственно, или направление пути , укладку адгезивных или репеллентных молекул во внеклеточный матрикс или на поверхности клеток для направления мигрирующие клетки по правильным путям. Затем, как только мигрирующая клетка достигнет места назначения, она должна распознать и присоединиться к другим клеткам соответствующего типа, чтобы собраться в ткань. Как происходит этот последний процесс, можно изучить, если искусственно смешать клетки разных эмбриональных тканей, после чего они часто спонтанно сортируются, чтобы восстановить более нормальное расположение, как мы обсудим далее.

Диссоциированные клетки позвоночных могут собираться в организованные ткани посредством селективной межклеточной адгезии

В отличие от тканей взрослых позвоночных, которые трудно диссоциировать, эмбриональные ткани позвоночных легко диссоциируют. Обычно это делается путем обработки ткани низкими концентрациями протеолитического фермента, такого как трипсин, иногда в сочетании с удалением внеклеточного Ca ²⁺ и Mg ²⁺ хелатором с двухвалентными катионами (например, EDTA).Эти реагенты нарушают белок-белковые взаимодействия (многие из которых зависят от двухвалентных катионов), которые удерживают клетки вместе. Примечательно, что диссоциированные клетки часто повторно собирают in vitro и в структуры, напоминающие исходную ткань. Такие результаты показывают, что структура ткани — это не просто продукт истории; он активно поддерживается и стабилизируется системой сродства клеток друг к другу и к внеклеточному матриксу.

Яркий пример этого явления наблюдается, когда диссоциированные клетки из двух эмбриональных органов позвоночных, таких как печень и сетчатка, смешиваются вместе и искусственно формируются в гранулы: смешанные агрегаты постепенно сортируются в соответствии с их органом происхождения.В более общем плане обнаружено, что дезагрегированные клетки легче прикрепляются к агрегатам своего собственного органа, чем к агрегатам других органов. Очевидно, существуют системы распознавания клетка-клетка, которые заставляют клетки одной и той же дифференцированной ткани преимущественно слипаться друг с другом; Эти адгезивные предпочтения, по-видимому, важны для стабилизации архитектуры ткани.

Клетки прикрепляются друг к другу и к внеклеточному матриксу через белки клеточной поверхности, называемые молекулами клеточной адгезии (CAM). — категория, которая включает белки трансмембранной адгезии, которые мы уже обсуждали.CAM могут представлять собой молекул адгезии клетка-клетка или молекул адгезии клетка-матрица . Некоторые CAM зависят от Ca ²⁺ , тогда как другие не зависят от Ca ²⁺ . Ca ²⁺ -зависимые САМ, по-видимому, в первую очередь ответственны за тканеспецифическую клеточную адгезию, наблюдаемую у ранних эмбрионов позвоночных, что объясняет, почему эти клетки могут быть дезагрегированы с помощью хелатирующих агентов Ca ²⁺ .

Изначально

САМ были идентифицированы путем создания антител против молекул клеточной поверхности и последующего тестирования этих антител на их способность ингибировать межклеточную адгезию в пробирке.Затем те редкие антитела, которые ингибируют адгезию, использовали для характеристики и выделения молекулы адгезии, распознаваемой антителами.

Кадгерины опосредуют Ca

²⁺ -зависимую клеточную адгезию

Кадгерины являются основными САМ, ответственными за Ca ²⁺ -зависимую межклеточную адгезию в тканях позвоночных. Первые три кадгерина, которые были обнаружены, были названы в соответствии с основными тканями, в которых они были обнаружены: E-кадгерин присутствует на многих типах эпителиальных клеток; N-кадгерин на нервных, мышечных и хрусталиковых клетках; и P-кадгерин на клетках плаценты и эпидермиса.Все они также находятся в различных других тканях; Например, N-кадгерин экспрессируется в фибробластах, а E-кадгерин экспрессируется в частях мозга. Эти и другие классических кадгеринов связаны друг с другом последовательностями во внеклеточных и внутриклеточных доменах. Существует также большое количество неклассических кадгеринов , более 50 из которых экспрессируются только в головном мозге. Неклассические кадгерины включают белки с известной адгезивной функцией, такие как десмосомальные кадгерины, обсуждаемые ранее, и различные протоколы , обнаруженные в головном мозге.Они также включают белки, которые, по-видимому, обладают неадгезивными функциями, такие как Т-кадгерин, , у которого отсутствует трансмембранный домен и который прикреплен к плазматической мембране нервных и мышечных клеток с помощью якоря гликозилфосфатидилинозитола (GPI), и белок Fat. , который был впервые идентифицирован как продукт гена-супрессора опухоли в Drosophila . Вместе классический и неклассический белки кадгерина составляют суперсемейство кадгеринов ().

Таблица 19-3

Некоторые члены надсемейства кадгеринов.

Кадгерины экспрессируются как у беспозвоночных, так и у позвоночных. Практически все клетки позвоночных, по-видимому, экспрессируют один или несколько кадгеринов в зависимости от типа клеток. Они являются основными молекулами адгезии, удерживающими вместе клетки в тканях раннего эмбриона. В культуре удаление внеклеточного Ca ²⁺ или обработка антителами против кадгерина разрушает эмбриональные ткани, и, если опосредованная кадгерином адгезия остается нетронутой, антитела против других молекул адгезии имеют незначительный эффект.Мутации, инактивирующие функцию E-кадгерина, вызывают разрушение эмбрионов мыши и гибель на ранних стадиях развития.

Большинство кадгеринов представляют собой однопроходные трансмембранные гликопротеины длиной около 700-750 аминокислот. Структурные исследования показывают, что они связываются в плазматической мембране с образованием димеров или более крупных олигомеров. Большая внеклеточная часть полипептидной цепи обычно складывается в пять или шесть повторов кадгерина , которые структурно связаны с доменами иммуноглобулина (Ig) (и).Кристаллические структуры E- и N-кадгерина помогли объяснить важность связывания Ca ²⁺ для функции кадгерина. Ионы Ca ²⁺ расположены между каждой парой кадгериновых повторов, связывая повторы вместе, чтобы сформировать жесткую стержнеобразную структуру: чем больше ионов Ca ²⁺ связано, тем более жесткая структура. Если удалить Ca ²⁺ , внеклеточная часть белка становится гибкой и быстро разрушается протеолитическими ферментами ().

Рисунок 19-24

Структура и функция кадгеринов. (A) Классическая молекула кадгерина. Белок представляет собой гомодимер, внеклеточная часть каждого полипептида свернута в пять повторов кадгерина. Между каждой парой повторов есть сайты связывания Ca ²⁺ . (B) (подробнее …)

Кадгерины играют решающую роль в развитии

E-cadherin — кадгерин с наилучшими характеристиками. Обычно он концентрируется в стыках сращений в зрелых эпителиальных клетках, где он помогает соединять кортикальные актиновые цитоскелеты клеток, которые он удерживает вместе (см.).Е-кадгерин также является первым кадгерином, экспрессируемым во время развития млекопитающих. Он способствует уплотнению — важному морфологическому изменению, которое происходит на восьмиклеточной стадии развития эмбриона мыши. Во время уплотнения непрочно прикрепленные клетки, называемые бластомерами , , становятся плотно упакованными вместе и соединяются межклеточными соединениями. Антитела против E-кадгерина блокируют уплотнение бластомера, в то время как антитела, которые реагируют с различными другими молекулами клеточной поверхности на этих клетках, нет.

Кажется вероятным, что кадгерины также важны на более поздних стадиях развития позвоночных, поскольку их появление и исчезновение коррелируют с основными морфогенетическими событиями, при которых ткани отделяются друг от друга. Когда нервная трубка формируется и отрывается от вышележащей эктодермы, например, клетки нервной трубки теряют E-кадгерин и приобретают другие кадгерины, включая N-кадгерин, в то время как клетки в вышележащей эктодерме продолжают экспрессировать E-кадгерин (). Затем, когда клетки нервного гребня мигрируют от нервной трубки, эти кадгерины становятся едва обнаруживаемыми, и появляется другой кадгерин (кадгерин-7), который помогает удерживать мигрирующие клетки вместе как слабо связанные группы клеток.Наконец, когда клетки объединяются с образованием ганглия, они повторно экспрессируют N-кадгерин (см.).

Рисунок 19-25

Распределение E-кадгерина и N-кадгерина в развивающейся нервной системе. Иммунофлуоресцентные микрофотографии поперечного сечения куриного эмбриона, показывающие развивающуюся нервную трубку, меченную антителами против (A) E-кадгерина и (B) N-кадгерина. Примечание (подробнее …)

Если N-кадгерин сверхэкспрессируется в появляющихся клетках нервного гребня, клетки не могут выйти из нервной трубки.Т.о., не только группы клеток, которые происходят из одного клеточного слоя, обнаруживают различные паттерны экспрессии кадгерина при отделении друг от друга, но и эти переключатели в экспрессии кадгерина, по-видимому, тесно вовлечены в процесс разделения.

Кадгерины опосредуют клеточную адгезию с помощью гомофильного механизма

Как молекулы межклеточной адгезии, такие как кадгерины, связывают клетки вместе? Три возможности проиллюстрированы в: (1) при гомофильном связывании , молекул на одной клетке связываются с другими молекулами того же типа на соседних клетках; (2) при гетерофильном связывании , молекулы одной клетки связываются с молекулами другого типа на соседних клетках; (3) при линкер-зависимом связывании рецепторов клеточной поверхности на соседних клетках связаны друг с другом секретируемыми поливалентными линкерными молекулами.Хотя было обнаружено, что у животных действуют все три механизма, кадгерины обычно связывают клетки по гомофильному механизму. Например, в линии культивируемых фибробластов, называемой клетками L , клетки не экспрессируют кадгерины и не прикрепляются друг к другу. Когда L-клетки трансфицируются ДНК, кодирующей E-кадгерин, трансфицированные клетки становятся сцепленными друг с другом по Ca ²⁺ -зависимому механизму, и адгезия ингибируется антителами против E-кадгерина. Поскольку белки кадгерина могут связываться напрямую друг с другом, а трансфицированные клетки не связываются с нетрансфицированными L-клетками, можно сделать вывод, что E-кадгерин связывает клетки вместе посредством взаимодействия двух молекул E-кадгерина на разных клетках.

Рисунок 19-26

Три механизма, с помощью которых молекулы клеточной поверхности могут опосредовать межклеточную адгезию. Хотя все эти механизмы могут действовать у животных, механизм, который зависит от внеклеточной линкерной молекулы, кажется наименее распространенным.

Если L-клетки, экспрессирующие разные кадгерины, смешиваются вместе, они сортируются и агрегируются отдельно, что указывает на то, что разные кадгерины предпочтительно связываются со своим собственным типом (), имитируя то, что происходит, когда клетки, полученные из тканей, экспрессирующих разные кадгерины, смешиваются вместе.Подобная сегрегация клеток происходит, если L-клетки, экспрессирующие разные количества одного и того же кадгерина, смешиваются вместе (). Следовательно, кажется вероятным, что как качественные, так и количественные различия в экспрессии кадгеринов играют роль в организации тканей.

Рисунок 19-27

Кадгерин-зависимая сортировка клеток. Клетки в культуре могут сортировать себя в зависимости от типа и уровня экспрессируемых ими кадгеринов. Это можно визуализировать, пометив разные популяции клеток красителями разного цвета.(A) Клетки, экспрессирующие (подробнее …)

В нервной системе особенно много разных кадгеринов, каждый с отличным, но частично совпадающим паттерном экспрессии (). Поскольку они сконцентрированы в синапсах, считается, что они играют роль в формировании и стабилизации синапсов. Некоторые из неклассических кадгеринов, такие как протокадгерины, являются сильными кандидатами на помощь в определении специфичности синаптических связей. Как и антитела, они различаются по своим N-концевым (вариабельным) участкам, но идентичны по своим С-концевым (константным) участкам.Внеклеточная вариабельная область и внутриклеточная константная область кодируются отдельными экзонами, причем экзоны вариабельной области расположены в тандемных массивах перед экзонами константной области (). Разнообразие протокадгеринов создается комбинацией использования дифференциального промотора и альтернативного сплайсинга РНК, а не сайт-специфической рекомбинацией, как это происходит при диверсификации антител (обсуждается в главе 24).

Рисунок 19-28

Разнообразие кадгерина в центральной нервной системе.(A) Паттерны экспрессии трех классических кадгеринов в эмбриональном мозге мыши. (B) Расположение экзонов, которые кодируют членов одного из трех известных семейств протокадгеринов неклассических (подробнее …)

Кадгерины связаны с цитоскелетом актина катенинами

Большинство кадгеринов, включая все классические и некоторые неклассические. , функционируют как белки трансмембранной адгезии, которые косвенно связывают актиновые цитоскелеты клеток, которые они соединяют вместе. Такое расположение происходит в местах сращивания стыков (см.).Высококонсервативный цитоплазматический хвост этих кадгеринов косвенно взаимодействует с актиновыми филаментами посредством группы внутриклеточных якорных белков, называемых катенинами (). Это взаимодействие необходимо для эффективной межклеточной адгезии, поскольку классические кадгерины, лишенные своего цитоплазматического домена, не могут удерживать клетки вместе.

Рис. 19-29

Связь классических кадгеринов с актиновыми филаментами. Кадгерины косвенно связаны с актиновыми филаментами с помощью якорных белков α-катенина и β-катенина.Третий внутриклеточный белок, называемый p120, также связывается с цитоплазматическим кадгерином (подробнее …)

Как обсуждалось ранее, неклассические кадгерины, которые образуют десмосомы, взаимодействуют с промежуточными филаментами, а не с актиновыми филаментами. Их цитоплазматический домен связывается с другим набором внутриклеточных якорных белков, которые, в свою очередь, связываются с промежуточными филаментами (см.).

Некоторые клетки могут регулировать адгезионную активность своих кадгеринов. Эта регуляция может быть важна для клеточных перестроек, которые происходят в эпителии, когда эти клеточные листы меняют свою форму и организацию во время развития животных (см.).Молекулярная основа этой регуляции неясна, но может включать фосфорилирование якорных белков, прикрепленных к цитоплазматическому хвосту кадгеринов.

Некоторые кадгерины могут помочь передавать сигналы внутрь клетки. Кадгерин эндотелия сосудов (VE-кадгерин), например, не только опосредует адгезию между эндотелиальными клетками, но также необходим для выживания эндотелиальных клеток. Хотя эндотелиальные клетки, которые не экспрессируют VE-кадгерин, все же прикрепляются друг к другу через N-кадгерин, они не выживают (см., С.1082). Их выживаемость зависит от внеклеточного сигнального белка, называемого фактором роста эндотелия сосудов (VEGF), , который связывается с рецепторной тирозинкиназой (обсуждается в главе 15), которая использует VE-кадгерин в качестве корецептора.

Селекты опосредуют временные межклеточные адгезии в кровотоке

Белые кровяные тельца ведут кочевой образ жизни, перемещаясь туда-сюда между кровотоком и тканями, и это требует особых адгезионных свойств. Эти свойства зависят от селектинов.Селектины представляют собой углеводсвязывающие белки (лектины) клеточной поверхности, которые опосредуют различные временные, зависимые от Ca ²⁺ взаимодействия межклеточной адгезии в кровотоке. Существует по крайней мере три типа: L-селектин на лейкоцитах, P-селектин на тромбоцитах крови и эндотелиальных клетках, которые были локально активированы воспалительным ответом, и E-селектин на активированных эндотелиальных клетках. Каждый селектин представляет собой трансмембранный белок с высококонсервативным лектиновым доменом, который связывается со специфическим олигосахаридом в другой клетке ().

Рисунок 19-30

Структура и функция селектинов. (А) Структура Р-селектина. Селектин прикрепляется к актиновому цитоскелету через якорные белки, которые еще плохо охарактеризованы. (B) Как селектины и интегрины опосредуют необходимые межклеточные адгезии (подробнее …)

Селектины играют важную роль в связывании лейкоцитов с эндотелиальными клетками, выстилающими кровеносные сосуды, тем самым позволяя клеткам крови мигрировать из кровотока. в ткань.В лимфоидном органе эндотелиальные клетки экспрессируют олигосахариды, которые распознаются L-селектином на лимфоцитах, заставляя лимфоциты задерживаться и застревать. И наоборот, в очагах воспаления эндотелиальные клетки включают экспрессию селектинов, которые распознают олигосахариды в лейкоцитах и ​​тромбоцитах, останавливая клетки, чтобы помочь справиться с местной чрезвычайной ситуацией. Однако селектины действуют не в одиночку; они взаимодействуют с интегринами, которые усиливают связывание клеток крови с эндотелием.Адгезии между клетками, опосредованные как селектинами, так и интегринами, являются гетерофильными (см.): Селектины связываются со специфическими олигосахаридами на гликопротеинах и гликолипидах, а интегрины связываются со специфическими белками.

Селектины и интегрины действуют последовательно, позволяя лейкоцитам покидать кровоток и проникать в ткани. Селектины опосредуют слабую адгезию, поскольку связывание лектинового домена селектина с его углеводным лигандом имеет низкое сродство. Это позволяет лейкоциту слабо и обратимо прикрепляться к эндотелию, катясь по поверхности кровеносного сосуда под действием потока крови.Скручивание продолжается до тех пор, пока кровяная клетка не активирует свои интегрины (обсуждается позже), теперь заставляя клетку прочно связываться с поверхностью эндотелиальных клеток и выползать из кровеносного сосуда между соседними эндотелиальными клетками ().

Члены суперсемейства белков иммуноглобулинов опосредуют Ca

²⁺ -независимую межклеточную адгезию

Кадгерины, селектины и интегрины все зависят от внеклеточного Ca ²⁺ (или Mg ²⁺ для некоторых интегринов) до функция в клеточной адгезии.Молекулы, ответственные за Ca ²⁺ -независимую межклеточную адгезию, принадлежат в основном к большому и древнему суперсемейству иммуноглобулинов (Ig) белков. Эти белки содержат один или несколько Ig-подобных доменов, характерных для молекул антител (обсуждается в главе 24). Одним из наиболее изученных примеров является молекула адгезии нервных клеток (N-CAM) , которая экспрессируется различными типами клеток, включая большинство нервных клеток. N-CAM является наиболее распространенным из Ca ²⁺ -независимых молекул межклеточной адгезии у позвоночных, и, как и кадгерины, считается, что он связывает клетки вместе по гомофильному механизму (между молекулами N-CAM на соседних клетках) .Однако некоторые Ig-подобные белки клеточной адгезии используют гетерофильный механизм. Молекулы межклеточной адгезии (ICAMs ) на эндотелиальных клетках, например, связываются с интегринами на клетках крови, когда клетки крови мигрируют из кровотока, как только что обсуждалось.

Существует по крайней мере 20 форм N-CAM, все они генерируются путем альтернативного сплайсинга транскрипта РНК, полученного из одного гена. Во всех формах большая внеклеточная часть полипептидной цепи свернута в пять Ig-подобных доменов ().Некоторые формы N-CAM содержат необычно большое количество сиаловой кислоты (с цепями, содержащими сотни повторяющихся единиц сиаловой кислоты). В силу своего отрицательного заряда эти длинные цепи полисиаловой кислоты препятствуют адгезии клеток, и появляется все больше свидетельств того, что N-CAM, сильно загруженный сиаловой кислотой, служит для предотвращения адгезии, а не ее возникновения.

Рис. 19-31

Белок клеточной адгезии N-CAM. (A) Четыре формы N-CAM. Внеклеточная часть полипептидной цепи в каждом случае складывается в пять Ig-подобных доменов (и один или два других домена, называемых повторами фибронектина типа III).Дисульфидные связи ( красный ) соединяют (подробнее …)

Хотя кадгерины и члены семейства Ig часто экспрессируются в одних и тех же клетках, адгезии, опосредованные кадгеринами, намного сильнее, и они в значительной степени отвечают за удерживание клеток вместе, сегрегацию коллективы клеток в отдельные ткани и поддержание целостности ткани. N-CAM и другие члены семейства Ig, по-видимому, вносят больший вклад в тонкую настройку этих адгезивных взаимодействий во время развития и регенерации.Например, в развивающейся поджелудочной железе грызунов образование островков Лангерганса требует агрегации клеток с последующей сортировкой клеток. В то время как ингибирование функции кадгерина предотвращает агрегацию клеток и образование островков, потеря N-CAM только нарушает процесс сортировки клеток, так что образуются неорганизованные островки.

Сходным образом, тогда как мутантные мыши, у которых отсутствует N-cadherin, умирают на ранней стадии развития, мутантные мыши, у которых отсутствует N-CAM, развиваются относительно нормально, хотя у них действительно есть некоторые дефекты в нервном развитии.Однако мутации в других генах, кодирующих Ig-подобные белки клеточной адгезии, могут вызывать более серьезные нервные дефекты. Например, мутации гена L1 у людей вызывают умственную отсталость и другие неврологические дефекты, возникающие в результате нарушений миграции нервных клеток и их аксонов.

Важность Ig-подобных белков клеточной адгезии в соединении нейронов развивающейся нервной системы была убедительно продемонстрирована на Drosophila . N-CAM-подобный белок под названием фасциклин III (FAS3) временно экспрессируется на некоторых двигательных нейронах, а также на мышечных клетках, которые они обычно иннервируют.Если FAS3 генетически удален из этих нейронов, они не смогут распознать свои мышечные мишени и не создадут с ними синапсы. И наоборот, если двигательные нейроны, которые обычно не экспрессируют FAS3, заставляют экспрессировать этот белок, они теперь синапсируют с мышечными клетками, экспрессирующими FAS3, с которыми они обычно не соединяются. Похоже, что FAS3 опосредует эти синаптические связи посредством гомофильного механизма «сватовства».

Подобно кадгеринам, некоторые Ig-подобные белки делают больше, чем просто связывают клетки вместе.Они также могут передавать сигналы внутрь камеры. Некоторые формы N-CAM в нервных клетках, например, связаны с цитоплазматическими тирозинкиназами Src семейства (обсуждается в главе 15), которые передают сигналы вперед, фосфорилируя внутриклеточные белки по тирозинам. Другими членами семейства Ig являются трансмембранные тирозинфосфатазы (обсуждаемые в главе 15), которые помогают направлять растущие аксоны к своим клеткам-мишеням, предположительно путем дефосфорилирования определенных внутриклеточных белков.

Множественные типы молекул клеточной поверхности действуют параллельно, опосредуя селективную межклеточную адгезию

Один тип клетки использует множественные молекулярные механизмы для прикрепления к другим клеткам.Некоторые из этих механизмов включают в себя организованные межклеточные соединения, а другие — нет (). Каждая клетка многоклеточного животного содержит набор рецепторов клеточной поверхности, которые позволяют клетке специфически реагировать на дополнительный набор растворимых внеклеточных сигнальных молекул, таких как гормоны и факторы роста. Точно так же каждая клетка в ткани имеет определенную комбинацию (и концентрацию) молекул адгезии на клеточной поверхности, которая позволяет ей связываться своим собственным характерным способом с другими клетками и внеклеточным матриксом.И точно так же, как рецепторы растворимых внеклеточных сигнальных молекул генерируют внутриклеточные сигналы, которые изменяют поведение клетки, точно так же могут и молекулы клеточной адгезии, хотя механизмы передачи сигналов, которые они используют, обычно не так хорошо изучены.

Рисунок 19-32

Краткое изложение соединительных и нефункциональных адгезионных механизмов, используемых клетками животных для связывания друг с другом и с внеклеточным матриксом. Соединительные механизмы показаны в эпителиальных клетках, в то время как несоединительные механизмы показаны в (подробнее…)

В отличие от рецепторов растворимых сигнальных молекул, которые связывают свой специфический лиганд с высоким сродством, рецепторы, которые связываются с молекулами на поверхности клеток или во внеклеточном матриксе, обычно делают это с относительно низким сродством. Эти рецепторы с низким сродством основаны на огромном увеличении силы связывания, полученной за счет одновременного связывания множества рецепторов с множеством лигандов на противоположной клетке или в соседнем матриксе. Это можно было бы назвать «принципом липучки».

Однако мы видели, что взаимодействия внеклеточных связывающих доменов этих молекул на клеточной поверхности недостаточно для обеспечения клеточной адгезии.По крайней мере, в случае кадгеринов и, как мы увидим, интегринов, молекулы адгезии также должны прикрепляться (через якорные белки) к цитоскелету внутри клетки. Считается, что цитоскелет помогает и стабилизирует латеральную кластеризацию молекул адгезии для облегчения многоточечного связывания. Цитоскелет также необходим для того, чтобы прикрепляющаяся клетка могла воздействовать на соседнюю клетку или матрикс (и наоборот). Таким образом, смесь определенных типов молекул клеточной адгезии, присутствующих на любых двух клетках, а также их концентрация, цитоскелетные связи и распределение на поверхности клетки, определяют общее сродство, с которым две клетки связываются друг с другом.

Неункциональные контакты могут инициировать межклеточные адгезии, которые соединительные контакты затем ориентируют и стабилизируют

Мы видели, что адгезивные контакты между клетками играют решающую роль в организации образования тканей и органов у развивающихся эмбрионов или во взрослых тканях, подвергающихся восстановлению после травмы . Чаще всего эти контакты не связаны с образованием организованных межклеточных контактов, которые проявляются как специализированные структуры в электронном микроскопе. Видно, что взаимодействующие плазматические мембраны просто сближаются и идут параллельно, разделенные пространством 10–20 нм.Этот тип «нефункционального» контакта может быть оптимальным для передвижения клетки — достаточно близким, чтобы обеспечивать сцепление и позволять белкам трансмембранной адгезии взаимодействовать, но не настолько плотно или так прочно прикрепленными к цитоскелету, чтобы иммобилизовать клетку.

Разумная гипотеза состоит в том, что несоединительные белки межклеточной адгезии инициируют межклеточные адгезии, которые затем ориентируются и стабилизируются сборкой полноценных межклеточных соединений. Многие из задействованных трансмембранных белков могут диффундировать в плоскости плазматической мембраны и, тем или иным образом, могут быть задействованы в местах контакта клетки с клеткой (и между клеткой и матрицей), что позволяет неункциональным адгезиям увеличиваться и превращаться в соединительные спайки. .Это было продемонстрировано для некоторых интегринов и кадгеринов, которые помогают инициировать клеточную адгезию, а затем становятся неотъемлемой частью клеточных соединений. Например, мигрирующий кончик аксона имеет равномерное распределение кадгеринов на своей поверхности, что помогает ему прикрепляться к другим клеткам на пути миграции. Он также имеет внутриклеточный пул кадгеринов в везикулах прямо под плазматической мембраной. Когда аксон достигает своей клетки-мишени, считается, что он высвобождает внутриклеточные молекулы кадгерина на поверхность клетки, где они помогают формировать стабильный контакт, который превращается в химический синапс.

Как обсуждалось ранее, антитела против белков адгезивных соединений блокируют образование плотных соединений, а также адгезионных соединений, предполагая, что сборка одного типа соединения может быть предпосылкой для образования другого. Произведено все большее количество моноклональных антител и пептидных фрагментов, которые могут блокировать один тип молекулы клеточной адгезии. Более того, было идентифицировано все большее количество генов, кодирующих эти белки клеточной поверхности, что создает новые возможности для манипулирования адгезивным аппаратом клеток в культуре и у экспериментальных животных.Следовательно, теперь возможно инактивировать различные белки клеточно-клеточной адгезии в комбинациях — требование для расшифровки правил клеточно-клеточного распознавания и связывания, используемых для построения сложных тканей.

Резюме

Клетки, диссоциированные из различных тканей эмбрионов позвоночных, предпочтительно повторно ассоциируют с клетками из той же ткани, когда они смешиваются вместе. Этот тканеспецифический процесс распознавания у позвоночных опосредуется в основном семейством Ca ²⁺ -зависимых белков межклеточной адгезии, называемых кадгеринами, которые удерживают клетки вместе за счет гомофильного взаимодействия между этими трансмембранными белками на соседних клетках.Чтобы это взаимодействие было эффективным, цитоплазматическая часть кадгеринов должна быть связана с цитоскелетом цитоплазматическими якорными белками, называемыми катенинами.

Два других семейства белков трансмембранной адгезии играют важную роль в межклеточной адгезии. Селектины действуют в транзиторных Ca ²⁺ -зависимых межклеточных адгезиях в кровотоке, связываясь со специфическими олигосахаридами на поверхности другой клетки. Члены суперсемейства иммуноглобулинов, включая N-CAM, опосредуют Ca ²⁺ -независимые процессы межклеточной адгезии, которые особенно важны во время нервного развития.

Даже один тип клеток использует несколько молекулярных механизмов для прикрепления к другим клеткам (и к внеклеточному матриксу). Таким образом, специфичность адгезии клетка-клетка (и клетка-матрица), наблюдаемая в эмбриональном развитии, д. Быть результатом интеграции нескольких различных систем адгезии, некоторые из которых связаны со специализированными межклеточными соединениями, а другие — нет.

Клеточная адгезия — обзор

Клеточная адгезия — фундаментальный процесс развития многоклеточных организмов.Нарушение этого процесса приводит к нарушению гомеостаза и дизонтогенеза. Нарушение межклеточной адгезии также может быть причиной заболевания. У многоклеточных организмов межклеточная адгезия происходит гомотипическим или гетеротипическим образом; напр., гомотипическая межклеточная адгезия формируется между двумя соседними эпителиальными клетками, а гетеротипическая межклеточная адгезия формируется между дифференцирующимися зародышевыми клетками и клетками Сертоли в семеннике. В эпителиальных клетках млекопитающих межклеточная адгезия опосредуется специализированными соединениями, особенно плотными соединениями (TJ), адгезионными соединениями (AJ) и десмосомами.Специфические молекулы клеточной адгезии (CAMs) опосредуют межклеточную адгезию на каждом из механизмов адгезии. Члены семейства нектинов, первоначально идентифицированные как рецепторы вируса α-герпеса, представляют собой САМ, локализованные в AJ. Нектины представляют собой САМ суперсемейства иммуноглобулинов Ca ^{2 +} (Reymond et al., 2001; Satoh-Horikawa et al., 2000; Takahashi et al., 1999) и способствуют разнообразной межклеточной адгезии, действуя совместно с или независимо от кадгеринов (Takai, Ikeda, Ogita, & Rikitake, 2008; Takai, Miyoshi, Ikeda, & Ogita, 2008).Позже нектиноподобные молекулы (Necls), которые имеют доменную структуру, аналогичную структуре нектинов, были определены как семейство генов, родственных нектинам. Первоначально сообщалось, что Necl-5 и -2 являются рецептором полиовируса человека (pvr; Mendelsohn, Wimmer, & Racaniello, 1989) и опухолевым супрессором при немелкоклеточном раке легкого человека (Kuramochi et al., 2001), соответственно. Неклы имеют много номенклатур, и некл-1 до -4 были недавно переименованы в Cadm-3, -1, -2 и -4 соответственно (таблица 1), но в этой главе используются неклы.Члены нектинов и Necls взаимодействуют в транс — гомо и транс — гетеро друг с другом и в цис с рецепторами фактора роста и интегринами. Более того, нектины и Necls связаны с заболеваниями человека, такими как наследственная эктодермальная дисплазия, болезнь Альцгеймера, расстройство аутистического спектра и рак. На следующих страницах мы представляем физические и функциональные свойства нектинов и неклов, а затем резюмируем последние достижения в понимании роли этих молекул в развитии и болезнях.

Таблица 1. Члены семейства Nectin и Necl

9 Расстройство гиперактивности 903 -4

Элемент	Символ	Псевдоним	Связанный процесс развития	Сопутствующее заболевание
Nectin-1	pvrl1 и CD111	Развитие внутреннего уха, развитие коры головного мозга, наведение аксонов, формирование синапсов и развитие зубов	Вирусная инфекция, эктодермальная дисплазия и психические расстройства, связанные со стрессом a
Nectin-2	pvrl2	PRR2, HveB, Mph и CD112	Сперматогенез	Вирусная инфекция, болезнь Альцгеймера и рак
Нектин-3	pvrl3	развитие, развитие коры головного мозга, ведение аксонов, формирование синапсов и развитие зубов t	Психические расстройства, связанные со стрессом a
Нектин-4	pvrl4	PRR4		Вирусная инфекция, эктодермальная дисплазия и рак		Tsll1 и SynCAM 3	Миелинизация	Болезнь Альцгеймера a и рак a
Necl-2	Cadm1	Igsf4, RA173 SgIG1Sper и SynesisCAM1CAM1CAM1, Synesis 1CAM1, SgIG1 903 , наведение аксонов и образование синапсов	Расстройство аутистического спектра и рак
Necl-3	Cadm2	SynCAM 2	Направление аксонов	Расстройство аутистического спектра и дефицит внимания 14	Cadm4	Tsll2 и SynCAM 4	Миелинизация	C ancer a
Necl-5	pvr	CD155 и Tage4		Вирусная инфекция и рак

Клеточная адгезия: интеграция динамики цитоскелета Кэмпбелла и клеточного напряжения 1.D. & Ginsberg, M.H. Взаимодействие талина с хвостом приводит к активации интегрина на основании FERM.

Trends Biochem. Sci. 29 , 429–435 (2004).

CAS Google Scholar

2

Premont, R.T. et al. Комплекс GIT / PIX: олигомерная сборка белков, активирующих GTPase ARF семейства GIT и факторов обмена гуаниновых нуклеотидов Rac1 / Cdc42 семейства PIX. Cell. Сигнал. 16 , 1001–1011 (2004).

CAS Google Scholar

3

Гейгер Б., Шпатц Дж. П. и Бершадский А. Д. Зондирование окружающей среды посредством фокальных спаек. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 10 , 21–33 (2009).

CAS Статья Google Scholar

4

Пуклин-Фаучер, Э. и Шитц, М. П. Механический цикл интегрина. J. Cell Sci. 122 , 179–186 (2009).

CAS Google Scholar

5

Висенте-Мансанарес, М., Чой, К. К. и Хорвиц, А. Р. Интегрины в миграции клеток — связь актина. J. Cell Sci. 122 , 199–206 (2009).

CAS Google Scholar

6

Петри, Р. Дж., Дойл, А. Д. и Ямада, К. М. Случайная и направленная постоянная миграция клеток. Nature Rev.Мол. Cell Biol. 10 , 538–549 (2009).

CAS Google Scholar

7

Zhao, M. et al. Электрические сигналы контролируют заживление ран через фосфатидилинозитол-3-ОН киназу-γ и PTEN. Природа 442 , 457–460 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

8

Vicente-Manzanares, M., Ma, X., Adelstein, R.S. & Horwitz, A.R. Немышечный миозин II занимает центральное место в адгезии и миграции клеток. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 10 , 778–790 (2009).

CAS Google Scholar

9

Коте, Дж. Ф. и Вуори, К. ГЭФ что? Dock180 и родственные белки помогают Rac поляризовать клетки по-новому. Cell. Сигнал. 17 , 383–393 (2007).

Google Scholar

10

Циглер В.Х., Лиддингтон, Р. С. и Кричли, Д. Р. Структура и регуляция винкулина. Trends Cell Biol. 16 , 453–460 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

11

Смолл, Дж. В., Страдал, Т., Виньял, Э. и Роттнер, К. Ламеллиподиум: там, где начинается подвижность. Trends Cell Biol. 12 , 112–120 (2002).

CAS PubMed Google Scholar

12

Поллард Т.Д. и Бориси, Г. Г. Подвижность клеток, обусловленная сборкой и разборкой актиновых филаментов. Cell 112 , 453–465 (2003).

CAS Google Scholar

13

Sanz-Moreno, V. et al. Активация и инактивация Rac контролируют пластичность движения опухолевых клеток. Ячейка 135 , 510–523 (2008).

CAS Google Scholar

14

Отей, К.A. & Carpen, O. Возвращение к α-актинину: свежий взгляд на старого игрока. Cell. Мотил. Цитоскелет 58 , 104–111 (2004).

CAS Google Scholar

15

Lim, Y. et al. Соединения PyK2 и FAK с фактором обмена нуклеотидов гуанина p190RhoA регулируют активность RhoA, формирование очаговой адгезии и подвижность клеток. J. Cell Biol. 180 , 187–203 (2008).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

16

Montanez, E.и другие. Киндлин-2 контролирует двунаправленную передачу сигналов интегринов. Genes Dev. 22 , 1325–1330 (2008).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

17

Goult, B.T. et al. Структура N-конца киндлина-1: домен, важный для активации интегрина αIIbβ3. J. Mol. Биол. 394 , 944–956 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

18

Ридли, А.J. et al. Миграция клеток: интеграция сигналов спереди назад. Наука 302 , 1704–1709 (2003).

CAS PubMed Google Scholar

19

Tomar, A., Lim, S. T., Lim, Y. & Schlaepfer, D. D. Комплекс FAK – p120RasGAP – p190RhoGAP регулирует полярность в мигрирующих клетках. J. Cell Sci. 122 , 1852–1862 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

20

Хайнс, Р.О. Интегрины: двунаправленные, аллостерические сигнальные машины. Cell 110 , 673–687 (2002).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

21

Zaidel-Bar, R., Milo, R., Kam, Z. & Geiger, B. Переключатель фосфорилирования тирозина паксиллина регулирует сборку и форму адгезий клеточного матрикса. J. Cell Sci. 120 , 137–148 (2007).

CAS PubMed Google Scholar

22

Зайдель-Бар, Р.& Гейгер, Б. Переключаемый интегрин адгезома. J. Cell Sci. 123 , 1385–1388 (2010). В этой статье описываются взаимодействия между адгезионными белками, составляющими клеточную адгезому.

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

23

Браун, М. К. и Тернер, К. Э. Паксиллин: адаптация к изменениям. Physiol. Ред. 84 , 1315–1339 (2004).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

24

Парсонс, Дж.Т. Киназа фокальной адгезии: первые десять лет. J. Cell Sci. 116 , 1409–1416 (2003).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

25

Цимерман, Б., Вольберг, Т. и Гейгер, Б. Ранние молекулярные события в сборке фокального комплекса волокон адгезии и напряжения во время распространения фибробластов. Cell. Мотил. Цитоскелет 58 , 143–159 (2004).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

26

Замир, Э.и другие. Молекулярное разнообразие адгезий клетка-матрица. J. Cell Sci. 112 , 1655–1669 (1999).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

27

Pelham, R.J., Jr & Wang, Y. Передвижение клеток и фокальные адгезии регулируются гибкостью субстрата. Proc. Natl Acad. Sci. USA 94 , 13661–13665 (1997).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

28

Цукерман, Э., Панков, Р., Стивенс, Д. Р. и Ямада, К. М. Переход между клеточно-матричной адгезией в третьем измерении. Наука 294 , 1708–1712 (2001).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

29

Discher, D. E., Janmey, P. & Wang, Y. L. Тканевые клетки ощущают жесткость своего субстрата и реагируют на нее. Наука 310 , 1139–1143 (2005).

CAS PubMed Google Scholar

30

Дойл А.Д., Ван, Ф. В., Мацумото, К. и Ямада, К. М. Одномерная топография лежит в основе трехмерной миграции фибриллярных клеток. J. Cell Biol. 184 , 481–490 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

31

Linder, S. Матрикс корродировал: подосомы и инвадоподии в деградации внеклеточного матрикса. Trends Cell Biol. 17 , 107–117 (2007).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

32

Линдер, С.Кратко об инвадосомах. J. Cell Sci. 122 , 3009–3013 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

33

Люксенбург, К., Парсонс, Дж. Т., Аддади, Л. и Гейгер, Б. Вовлечение пути Src-кортактин в образование и оборот подосом во время поляризации культивируемых остеокластов. J. Cell Sci. 119 , 4878–4888 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

34

Уивер, А.M. Invadopodia: специализированные клеточные структуры для инвазии рака. Clin. Exp. Метастаз 23 , 97–105 (2006).

PubMed PubMed Central Google Scholar

35

Albiges-Rizo, C., Destaing, O., Fourcade, B., Planus, E. & Block, M. R. Актиновые механизмы и механочувствительность в инвадоподиях, подосомах и фокальных сращениях. J. Cell Sci. 122 , 3037–3049 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

36

Пуанклу Р., Lizarraga, F. & Chavrier, P. Инвазия в матрицу опухолевыми клетками: акцент на переносе MT1-MMP в инвадоподии. J. Cell Sci. 122 , 3015–3024 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

37

Лауффенбургер, Д. А. и Хорвиц, А. Ф. Миграция клеток: физически интегрированный молекулярный процесс. Cell 84 , 359–369 (1996).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

38

Уэбб, Д.Дж., Парсонс, Дж. Т. и Хорвиц, А. Ф. Сборка, разборка и оборот адгезии в мигрирующих клетках — снова и снова. Nature Cell Biol. 4 , E97 – E100 (2002).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

39

Ponti, A., Machacek, M., Gupton, S.L., Waterman-Storer, C.M. & Danuser, G. Две различные сети актина управляют протрузией мигрирующих клеток. Наука 305 , 1782–1786 (2004).

CAS PubMed Google Scholar

40

Николсон-Дикстра, С., Хиггс, Х. Н. и Харрис, Э. С. Динамика актина: рост из дендритных ветвей. Curr. Биол. 15 , R346 – R357 (2005 г.).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

41

Валлотон П., Данузер Г., Бонет С., Мейстер Дж. Дж. И Верховский А. Б. Отслеживание ретроградного кровотока в кератоцитах: новости с фронта. Мол. Биол. Ячейка 16 , 1223–1231 (2005).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

42

Шемеш Т., Верховский А.Б., Свиткина Т.М., Бершадский А.Д. и Козлов М.М. Роль очаговых спаек и механических напряжений в формировании и развитии границы раздела пластинок. Biophys. J. 97 , 1254–1264 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

43

Роттнер, К., Холл, А. и Смолл, Дж. В. Взаимодействие между Rac и Rho в управлении динамикой контакта с подложкой. Curr. Биол. 9 , 640–648 (1999).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

44

Hotulainen, P. & Lappalainen, P. Стрессовые волокна генерируются двумя различными механизмами сборки актина в подвижных клетках. J. Cell Biol. 173 , 383–394 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

45

Амано, М.и другие. Формирование актиновых стрессовых волокон и фокальных спаек усиливается Rho-киназой. Наука 275 , 1308–1311 (1997).

CAS PubMed Google Scholar

46

Нарумия, С., Танджи, М., Ишизаки, Т. Передача сигналов Rho, ROCK и mDia1, в трансформации, метастазировании и инвазии. Cancer Metastasis Rev. 28 , 65–76 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

47

Висенте-Мансанарес, М., Коач, М. А., Уитмор, Л., Ламерс, М. Л. и Хорвиц, А. Ф. Сегрегация и активация миозина IIB создает тыл мигрирующим клеткам. J. Cell Biol. 183 , 543–554 (2008).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

48

Александрова А.Ю. и др. Сравнительная динамика ретроградного потока актина и очаговых спаек: образование возникающих спаек запускает переход от быстрого потока к медленному. PLoS ONE 3 , e3234 (2008 г.).

PubMed PubMed Central Google Scholar

49

Choi, C. K. et al. Актин и α-актинин организуют сборку и созревание возникающих спаек моторно-независимым образом от миозина II. Nature Cell Biol. 10 , 1039–1050 (2008). Эта статья описывает переход от небольших возникающих спаек к более крупным myosin II-зависимым фокальным комплексам и фокальным адгезиям посредством кластеризации актиновых филаментов, а не двигательной активности миозина II.

CAS PubMed Google Scholar

50

Pasapera, A. M., Schneider, I. C., Rericha, E., Schlaepfer, D. D. & Waterman, C. M. Активность миозина II регулирует рекрутирование винкулина в очаговые спайки посредством FAK-опосредованного фосфорилирования паксиллина. J. Cell Biol. 188 , 877–890 (2010).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

51

Миямото, С.и другие. Функция интегрина: молекулярные иерархии цитоскелетных и сигнальных молекул. J. Cell Biol. 131 , 791–805 (1995).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

52

Шварц М.А. Клеточная биология. Сила с нами. Наука 323 , 588–589 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

53

дель Рио, А.и другие. Растяжение одиночных молекул палочек талина активирует связывание винкулина. Наука 323 , 638–641 (2009). Эта статья подтверждает предсказание структурных исследований о том, что приложение силы к талину открывает сайты связывания винкулина.

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

54

Хамфрис, Дж. Д. и др. Винкулин контролирует формирование очаговой адгезии путем прямого взаимодействия с талином и актином. J. Cell Biol. 179 , 1043–1057 (2007).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

55

Коэн, Д. М., Кучер, Б., Чен, Х., Мерфи, Д. Б. и Крейг, С. В. Конформационный переключатель винкулина управляет образованием и динамикой комплекса талин-винкулин в очаговых адгезиях. J. Biol. Chem. 281 , 16006–16015 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

56

Sawada, Y.и другие. Определение силы путем механического удлинения субстрата киназы семейства Src p130Cas. Ячейка 127 , 1015–26 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

57

Cai, X. et al. Пространственная и временная регуляция активности киназ очаговой адгезии в живых клетках. Мол. Cell Biol. 28 , 201–214 (2008). В этой статье был разработан биосенсор на основе флуоресценции для активации FAK и использован его для описания зависимой от стимула локальной активации FAK в клетках, которая зависит от связывания FAK с кислыми фосфолипидами.

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

58

Фридланд, Дж. К., Ли, М. Х. и Боеттигер, Д. Механически активируемый переключатель интегрина контролирует функцию α5β1. Наука 323 , 642–644 (2009). В этой статье представлены доказательства того, что α5β1-интегрин реагирует на механическое напряжение путем преобразования в состояние высокого сродства, которое требуется для связывания с сайтом синергии в фибронектине.

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

59

Brown, C. M. et al. Исследование связи интегрин-актин с использованием скоростного картирования белков с высоким разрешением. J. Cell Sci. 119 , 5204–5214 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

60

Ху, К., Джи, Л., Эпплгейт, К. Т., Данусер, Г. и Уотерман-Сторер, К.М. Дифференциальная передача движения актина внутри фокальных спаек. Наука 315 , 111–115 (2007).

CAS Google Scholar

61

Митчисон Т. и Киршнер М. Динамика цитоскелета и рост нервов. Нейрон 1 , 761–772 (1988).

CAS PubMed Google Scholar

62

Jay, D. G. Пересмотр гипотезы сцепления: приписывание роли актин-ассоциированных белков в протрузии филоподий в конусе роста нервов. J. Neurobiol. 44 , 114–125 (2000).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

63

Бруссард, Дж. А., Уэбб, Д. Дж. И Каверина, И. Разборка асимметричной фокальной адгезии в подвижных клетках. Curr. Opin. Cell Biol. 20 , 85–90 (2008).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

64

Баллестрем, К., Hinz, B., Imhof, B. A. и Wehrle-Haller, B. Марширование впереди и волочение позади: дифференциальный оборот αVβ3-интегрина регулирует поведение фокальной адгезии. J. Cell Biol. 155 , 1319–1332 (2001).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

65

Дигман, М.А., Браун, С.М., Хорвиц, А.Р., Мантулин, В.В. и Граттон, Э. Динамика паксиллина, измеренная во время сборки и разборки адгезии с помощью корреляционной спектроскопии. Biophys. J. 94 , 2819–2831 (2008).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

66

Palecek, S. P., Huttenlocher, A., Horwitz, A. F. & Lauffenburger, D. A. Физическая и биохимическая регуляция высвобождения интегрина во время обратного отсоединения мигрирующих клеток. J. Cell Sci. 111 , 929–940 (1998).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

67

Кроули, Э.& Horwitz, A. F. Фосфорилирование тирозина и натяжение цитоскелета регулируют высвобождение адгезий фибробластов. J. Cell Biol. 131 , 525–537 (1995).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

68

Franco, S. J. и Huttenlocher, A. Регулирование миграции клеток: кальпаины делают разрез. J. Cell Sci. 118 , 3829–3838 (2005).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

69

Франко, С.J. et al. Кальпаин-опосредованный протеолиз талина регулирует динамику адгезии. Nature Cell Biol. 6 , 977–983 (2004). В этой статье идентифицирован талин, протеолиз которого необходим для оборота фокальной адгезии, как важный субстрат для протеазы кальпаина.

CAS PubMed Google Scholar

70

Flevaris, P. et al. Молекулярный переключатель, который контролирует распространение и ретракцию клеток. J. Cell Biol. 179 , 553–565 (2007).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

71

Чан, К. Т., Беннин, Д. А. и Хаттенлохер, А. Регулирование динамики адгезии с помощью кальпаин-опосредованного протеолиза киназы фокальной адгезии (FAK). J. Biol. Chem. 285 , 11418–11426 (2010).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

72

Берридж, К.& Chrzanowska-Wodnicka, М. Фокальные спайки, сократимость и передача сигналов. Annu. Rev. Cell Dev. Биол. 12 , 463–518 (1996).

CAS Google Scholar

73

Яффе, А. Б. и Холл, А. Rho GTPases: биохимия и биология. Annu. Rev. Cell Dev. Биол. 21 , 247–269 (2005).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

74

Нобес, К.D. & Hall, A. Rho, Rac и Cdc42 GTPases регулируют сборку мультимолекулярных фокальных комплексов, связанных с актиновыми стрессовыми волокнами, ламеллиподиями и филоподиями. Ячейка 81 , 53–62 (1995).

CAS Google Scholar

75

Этьен-Манневиль, С. и Холл, А. Rho GTPases в клеточной биологии. Природа 420 , 629–635 (2002).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

76

Курокава К., Накамура, Т., Аоки, К. и Мацуда, М. Механизм и роль локальной активации GTPases семейства Rho в фибробластах и ​​нейрональных клетках, стимулированных фактором роста. Biochem. Soc. Пер. 33 , 631–634 (2005).

CAS Google Scholar

77

Goulimari, P. et al. Gα12 / 13 необходим для направленной миграции клеток и локализованной функции Rho-Dia1. J. Biol. Chem. 280 , 42242–42251 (2005).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

78

Курокава К. и Мацуда М. Локальная активация RhoA как необходимое условие для индукции взъерошивания мембраны. Мол. Биол. Ячейка 16 , 4294–4303 (2005).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

79

Перц, О., Ходжсон, Л., Клемке, Р. Л. и Хан, К.М. Пространственно-временная динамика активности RhoA в мигрирующих клетках. Природа 440 , 1069–1072 (2006).

CAS PubMed Google Scholar

80

Machacek, M. et al. Координация активности Rho GTPase во время выпячивания клеток. Природа 461 , 99–103 (2009). В этой статье используется многоволновая визуализация датчиков FRET для Rho GTPases и сложный количественный анализ для определения взаимосвязей между активацией Rho, Rac и CDC42 и передовой динамикой.

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

81

Tapon, N. & Hall, A. Rho, Rac и Cdc42 GTPases регулируют организацию актинового цитоскелета. Curr. Opin. Cell Biol. 9 , 86–92 (1997).

CAS Google Scholar

82

Chesarone, M. A., DuPage, A. G. и Goode, B. L. Освобождение форминов для ремоделирования актина и цитоскелета микротрубочек. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 11 , 62–74 (2010).

CAS Google Scholar

83

Янг Н. и др. Фосфорилирование кофилина LIM-киназой 1 и его роль в Rac-опосредованной реорганизации актина. Природа 393 , 809–812 (1998).

CAS PubMed Google Scholar

84

Ван В., Эдди Р. и Кондилис Дж. Путь кофилина в инвазии и метастазировании рака груди. Nature Rev. Cancer 7 , 429–440 (2007).

CAS Google Scholar

85

Wu, Y. I. et al. Генетически кодируемый фотоактивируемый Rac контролирует подвижность живых клеток. Природа 461 , 104–108 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

86

Нимнуал, А. С., Тейлор, Л. Дж. И Бар-Саги, Д.Редокс-зависимое подавление Rho с помощью Rac. Nature Cell Biol. 5 , 236–241 (2003).

CAS PubMed Google Scholar

87

Артур, В. Т. и Берридж, К. Инактивация RhoA с помощью p190RhoGAP регулирует распространение и миграцию клеток, способствуя протрузии и полярности мембраны. Мол. Биол. Ячейка 12 , 2711–20 (2001).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

88

Томар, А.& Schlaepfer, D. D. Киназа фокальной адгезии: переключение между GAP и GEF в регуляции подвижности клеток. Curr. Opin. Cell Biol. 5 , 676–683 (2009).

Google Scholar

89

Katsumi, A. et al. Влияние клеточного натяжения на малую GTPase Rac. J. Cell Biol. 158 , 153–164 (2002).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

90

Митра, С.K. & Schlaepfer, D. D. Интегрин-регулируемая передача сигналов FAK-Src в нормальных и раковых клетках. Curr. Opin. Cell Biol. 18 , 516–523 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

91

Peacock, J. G. et al. Связанный с Abl ген тирозинкиназа действует через p190RhoGAP, ингибируя сократительную способность актомиозина и регулируя динамику фокальной адгезии при адгезии к фибронектину. Мол. Биол.Ячейка 18 , 3860–3872 (2007).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

92

Defilippi, P., Di Stefano, P. & Cabodi, S. p130Cas: универсальный каркас в сигнальных сетях. Trends Cell Biol. 16 , 257–63 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

93

Bladt, F. et al.Адаптеры Nck Sh3 / Sh4 мыши важны для развития эмбриональных структур, происходящих из мезодермы, и для регуляции клеточной актиновой сети. Мол. Cell Biol. 23 , 4586–4597 (2003).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

94

Дикин, Н. О. и Тернер, К. Э. Паксиллин достигает совершеннолетия. J. Cell Sci. 121 , 2435–2444 (2008).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

95

Кларк, К.и другие. Тенсин 2 модулирует сократимость клеток в трехмерных коллагеновых гелях через RhoGAP DLC1. J. Cell Biochem. 109 , 808–817 (2010).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

96

Холл, Э. Х., Догерти, А. Э., Чой, К. К., Хорвиц, А. Ф. и Браутиган, Д. Л. Тенсину 1 требуется протеинфосфатаза-1α в дополнение к RhoGAP DLC-1 для контроля поляризации, миграции и инвазии клеток. Дж.Биол. Chem. 284 , 34713–34722 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

97

Hervy, M., Hoffman, L. и Beckerle, M. C. От мембраны к ядру и обратно: бифункциональные белки фокальной адгезии. Curr. Opin. Cell Biol. 18 , 524–532 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

98

Лиета, Д.и другие. Структурная основа аутоингибирования киназы фокальной адгезии. Ячейка 129 , 1177–1187 (2007).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

99

Парсонс, С. Дж. И Парсонс, Дж. Т. Киназы семейства Src, ключевые регуляторы передачи сигнала. Онкоген 23 , 7906–7909 (2004).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

100

Митра, С.К., Хэнсон, Д. А. и Шлепфер, Д. Д. Киназа фокальной адгезии: в управлении и контроле подвижности клеток. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 6 , 56–68 (2005).

CAS Google Scholar

101

Nayal, A. et al. Фосфорилирование паксиллина по Ser273 локализует комплекс GIT1-PIX-PAK и регулирует динамику адгезии и протрузии. J. Cell Biol. 173 , 587–589 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

102

Рен, Х.D. et al. Киназа фокальной адгезии подавляет активность Rho, способствуя обновлению фокальной адгезии. J. Cell Sci. 113 , 3673–3678 (2000).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

103

Lin, S.-Y. и другие. Протеин-тирозинфосфатаза SHP-1 регулирует фосфорилирование α-актинина. J. Biol. Chem. 279 , 25755–25764 (2004).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

104

Ёсиги, М., Hoffman, L.M., Jensen, C.C., Yost, H.J. и Beckerle, M.C. Механическая сила мобилизует зиксин из очаговых адгезий к актиновым филаментам и регулирует усиление цитоскелета. J. Cell Biol. 171 , 209–215 (2005).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

105

Legate, K. R., Montanez, E., Kudlacek, O. & Fassler, R. ILK, PINCH и parvin: tIPP передачи сигналов интегрина. Nature Rev.Мол. Cell Biol. 7 , 20–31 (2006).

CAS Google Scholar

106

Берридж К., Састри С. К. и Салли Дж. Л. Регулирование клеточной адгезии протеин-тирозинфосфатазами. J. Biol. Chem. 281 , 15593–15596 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

107

Levental, K. R. et al. Сшивание матрикса вызывает прогрессирование опухоли за счет усиления передачи сигналов интегрина. Cell 139 , 891–906 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

108

Van Keymeulen, A. et al. Чтобы стабилизировать полярность нейтрофилов, PIP3 и Cdc42 усиливают активность RhoA сзади, а также сигналы спереди. J. Cell Biol. 174 , 437–445 (2006).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

109

Сюй Дж.и другие. Дивергентные сигналы и ансамбли цитоскелета регулируют полярность самоорганизации нейтрофилов. Cell 114 , 201–214 (2003).

CAS PubMed Google Scholar

110

Yam, P. T. et al. Реорганизация актин-миозиновой сети нарушает симметрию в задней части клетки, чтобы спонтанно инициировать поляризованную подвижность клеток. J. Cell Biol. 178 , 1207–1221 (2007).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

111

Etienne-Manneville, S.И Холл, А. Интегрин-опосредованная активация Cdc42 контролирует клеточную полярность в мигрирующих астроцитах через PKCζ. Cell 106 , 489–498 (2001).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Что такое межклеточная адгезия?

Клеточная адгезия представляет собой механизм взаимодействия клеток друг с другом, основанный на молекулярных реакциях на поверхности обеих клеток. Это важная часть поддержания структуры многоклеточных и, следовательно, основа для многоклеточных организмов.

Адгезия клетка-клетка контролируется молекулами клеточной адгезии, которые распознают различные лиганды на стыках клеток. Эукариоты, прокариоты и вирусы имеют разные молекулы клеточных адгезий. Для клеток млекопитающих существует четыре основных класса молекул клеточной адгезии:

1. Кадгерины (кальций-зависимые гликопротеины)
2. Интегрины (трансмембранные рецепторные белки, не зависящие от кальция)
3. Члены суперсемейства иммуноглобинов (молекулы, участвующие в адгезии клеток с доменом иммуноглобина, которые не зависят от кальция)
4. Селектины (одноцепочечные гликопротеины, зависимые от кальция)

Якорные соединения — это особый тип соединения клеток, где клетки прикрепляются друг к другу или к внеклеточному матриксу.Они обеспечивают структурную сплоченность, необходимую для образования тканей. Существует три типа якорных соединений: десмосомы — это тип якорных соединений, которые соединяют клетки друг с другом через кадгерины, гемидесмосомы соединяют клетки с внеклеточным матриксом через интегрины, тогда как адгезивные соединения образуют связи между клетками и клетками через кадгерины и интегрины.

Доктор Майкл Пирс обсуждает клеточную адгезию Play

Значение кадгеринов для межклеточной адгезии

Кальций-зависимые молекулы клеточной адгезии кадгерины обычно имеют длину 700-750 аминокислот.Они используются как в десмосомах, так и в адгезивных соединениях для образования белковых комплексов для прикрепления клеток. В десмосомных комплексах мостик образуется между кадгеринами каждой клетки посредством гомофильного связывания.

Этот конкретный белковый комплекс обеспечивает сильную адгезию, полезную для обеспечения механической прочности; следовательно, десмосомные комплексы в изобилии присутствуют в тканях сердца и эпидермиса, которые часто подвергаются механическому стрессу.

Для адгезивных соединений кадгерины взаимодействуют с актиновыми филаментами через промежуточные якорные белки, называемые катенинами.Этот тип межклеточной адгезии распространен в эпителиальных и эндотелиальных тканях.

Кальций играет ключевую роль в функциональной активности кадгерина, поддерживая жесткую структуру, необходимую для связывания. Короче говоря, ионы кальция создают негибкую структуру благодаря своему расположению между каждой парой кадгеринов, в то время как жесткость структуры положительно коррелирует с количеством доступных ионов кальция.

Распознавание клеток и клеточная адгезия

Распознавание клетки-клетки является важной частью механизма межклеточной адгезии.Раннее исследование отметило сродство, обнаруженное в молекулах клеточной адгезии, благодаря наблюдению, что клетки из одной и той же ткани предпочтительно прилипают друг к другу. Клетки, отделенные от двух отдельных органов, при смешивании могут образовывать осадок, который со временем постепенно разделяется на клетки, полученные из одного и того же органа.

Существует более сотни различных типов кадгеринов позвоночных, и эксперимент был повторен со смешанными клетками, отсортированными по типу кадгерина. Именно эти адгезивные свойства обеспечивают стабильную архитектуру ткани, хотя в более поздних исследованиях наблюдалась гетеротипическая аффинность связывания.Считается, что кинетическая специфичность позволяет молекулам клеточной адгезии узнавать друг друга, а не более широкую термодинамическую специфичность.

Селектины и межклеточная адгезия

Селектины — это еще один тип кальций-зависимых молекул клеточной адгезии, которые обеспечивают межклеточные взаимодействия в кровотоке. Различные типы селектина используются для лейкоцитов, тромбоцитов и эндотелиальных клеток.

Межклеточные адгезии в кровотоке образуются за счет связывания селектина со специфическим олигосахаридом на соседней клетке.Связывание лейкоцитов с эндотелиальными клетками, выстилающими кровеносные сосуды, особенно важно для обеспечения транспорта клеток из кровотока в ткани.

Это межклеточное взаимодействие между лейкоцитами и эндотелиальными клетками усиливается интегринами, другой молекулой клеточной адгезии. Комбинация селектинов и интегринов обеспечивает слабую адгезию, которая позволяет лейкоцитам катиться по поверхности кровеносного сосуда. Однако при необходимости две молекулы клеточной адгезии могут также прочно связывать кровяную клетку с поверхностью эндотелиальных клеток для выхода через кровеносный сосуд между эндотелиальными клетками.

Дополнительная литература

Что такое межклеточные спайки? | MBInfo

Передача сигналов «клетка-клетка» относится к межклеточной коммуникации посредством передачи химических, механических или электрических сигналов, чему способствует образование специализированных адгезионных соединений клетка-клетка. У млекопитающих существует три основных типа адгезивных контактов между клетками, которые обнаруживают и передают сигналы от соседних клеток [1]:

Узкие стыки

Также известная как zonula occludens, плотные контакты обнаруживаются в эпителиальных и эндотелиальных клетках и в основном функционируют как диффузионные барьеры.Интегральные мембранные белки, обычно связанные с плотными контактами, включают; клаудины, окклюдин, трицеллулин и соединительные молекулы адгезии (JAM). Эти белки способствуют формированию нитей анастомозирующей мембраны, которые содержат плотные соединения [2].

Адгезионные соединения

Адгезивные соединения связывают актиновые филаменты между клетками. На этой диаграмме конкретно изображены слипчивые соединения (красные прямоугольники), соединяющие актиновые филаменты (красные линии) через поляризованные эпителиальные клетки.В этих клетках это приводит к образованию сократительных пучков актиновых и миозиновых нитей вблизи апикальной поверхности — это формирует структуру, называемую адгезионным поясом (стрелки). Другие соединения, называемые десмосомами (большие синие прямоугольники) и гемидесмосомами (маленькие синие прямоугольники), связывают промежуточные волокна (синие линии) между клетками.

Адгезивные соединения регулируют форму клеток, поддерживают целостность ткани и переносят генерируемые актомиозином силы по всей ткани [3]. Ключевым компонентом адгезивных соединений являются трансмембранные гликопротеины кадгерины, которые связывают внутриклеточные белки p120-катенин и β-катенин, после чего α-катенин рекрутируется β-катенином.Обширная сеть рецепторов адгезии, каркасных белков, регуляторов актина и сигнальных белков регулирует образование этого комплекса через сложную сеть взаимодействий, которая в настоящее время описывается и получила название кадгесома [4] [5].

Adherens junction — это тип стабильного клеточного контакта или якорного соединения, который удерживает клетки в ткани вместе, формируя взаимосвязанный латеральный мостик, который связывает актиновый цитоскелет соседних клеток (rev. [6] [7]).Адгезивные соединения бывают разных форм: в сердечных клетках сократительные пучки закрепляются за счет адгезивных соединений [8], тогда как в неэпителиальных тканях адгезивные соединения связывают кортикальные актиновые нити между клетками (см. «Клеточная кора»).

Адгезивное соединение в клетках сердца и неэпителиальных клетках.

E-кадгерин-опосредованные межклеточные адгезии

В поляризованных эпителиальных клетках наиболее очевидной особенностью актинового цитоскелета является сократительный пучок актиновых филаментов, обычно расположенных вблизи апикальной поверхности; этот кольцевой пояс (он же адгезионный пояс) связан от одной клетки к другой через внеклеточные домены непрерывной полосы трансмембранных молекул, принадлежащих к семейству кадгеринов [9] [10], наряду с другими якорными белками (например.грамм. катенины, винкулин и α-актинин) [11] [12].

Однако недавнее исследование клеточной адгезии с использованием микроскопии сверхвысокого разрешения обнаружило новые факты о существовании «адгезионного пояса». Обычная микроскопия показывает, что кластеры E-кадгерина сливаются, образуя толстый пояс вдоль клеточной мембраны между соседними клетками. Считалось, что связывание отдельных белков E-cadherin управляет адгезией, при этом кластеры формируются зависимым от адгезии образом, прежде чем слиться и стать равномерно распределенными во времени.Это долгое время было превалирующим представлением, основанным на традиционной микроскопии, которая ограничена в своей способности четко визуализировать такие маленькие структуры, как слипчивые соединения или кластер E-кадгерина.

Визуализация адгезивного соединения в сверхвысоком разрешении показала, что межклеточные адгезии инициируются небольшими кластерами примерно из пяти молекул E-кадгерина. Эти отдельные кластеры-предшественники E-cadherin равного размера наблюдались как в зародышевых, так и в зрелых межклеточных адгезиях. По мере развития адгезии большее количество молекул E-кадгерина привлекается из соседних клеток, что приводит к увеличению плотности кластеров.На наномасштабном уровне стало ясно, что кластеры E-кадгерина никогда не увеличивались в размерах и не сливались с образованием «адгезионного пояса». Вместо этого актиновый цитоскелет ограничивает кластеры E-кадгерина, предотвращая их слияние. Ограниченные актином кластеры E-cadherin, следовательно, представляют собой строительные блоки слипчивых соединений [13].

Актин и связанный миозин позиционируются, чтобы ощущать напряжение и удерживать клетку [14] [15]. Сокращение актиновой сети также обеспечивает подвижные силы для морфогенеза тканей и миграции клеток [16] [17].

Клетка ориентирована так, чтобы верхний правый угол был апикальным, а нижний левый угол — более базальным. Слева направо; первая стрелка указывает на десмосому с плотными десмосомными бляшками, видимыми по обе стороны от межклеточного пространства шириной примерно 240 ангстрем, вторая стрелка указывает на сращение с межклеточным пространством примерно 200 ангстрем, а третья стрелка указывает на плотное соединение это показывает близкое расположение створок плазматической мембраны, что следует из отсутствия межклеточной щели.(Шкала шкалы 250 нм).

Десмосомы

Эти соединения связывают промежуточные филаменты (IFs) с плазматической мембраной и тем самым обеспечивают механическую стабильность клеток, что особенно важно для тканей и органов, находящихся под высоким механическим напряжением, таких как миокард, кожа и мочевой пузырь. Десмосомы содержат десмосомные кадгерины (десмоглеины и десмоколлины), которые облегчают связь между апплицирующими клетками через их внеклеточные домены и связывают другие компоненты десмосом внутриклеточно через их цитоплазматические хвосты.Цитоплазматические десмосомные компоненты включают плакоглобин и плакофилины, которые, в свою очередь, связывают промежуточные филаменты через десмоплакин [18].

В эпителии позвоночных все три из вышеупомянутых сочленений имеют определенные пространственные организации, с плотными сочленениями, расположенными наиболее апикально, за ними следуют слипчивые сочленения и, наконец, десмосомы [2]. Каждый тип соединения имеет отличную ультраструктуру, которая может дополнительно отличаться по внешнему виду в зависимости от типа и морфологии клеток.

Соединения десмосом связывают промежуточные филаменты с плазматической мембраной и состоят из десмосомальных кадгеринов (десмоглеинов и десмоколлинов) и цитоплазматических десмосомных компонентов, таких как плакоглобин и плакофилины, которые соединяют кадгерины с IF через десмоплакин.

Инструменты для исследования белков клеточной адгезии

— Creative BioMart

Клеточная адгезия

Клеточная адгезия — это процесс, при котором клетки взаимодействуют с определенными молекулами на поверхности клетки и прикрепляются к соседним клеткам. Этот процесс может происходить посредством прямого или косвенного взаимодействия между поверхностями клеток, где клетки прикрепляются к окружающей внеклеточной матрице, которая содержит молекулы, высвобождаемые клетками в пространство между клетками. Клеточная адгезия происходит, когда молекула клеточной адгезии (CAM) взаимодействует с трансмембранным белком, расположенным на поверхности клетки.Адгезия клеток по-разному связывает клетки и может участвовать в передаче сигнала, позволяя клеткам обнаруживать изменения в окружающей среде и реагировать на них. Другие клеточные процессы, регулируемые клеточной адгезией, включают миграцию клеток и развитие тканей в многоклеточных организмах. Изменения клеточной адгезии могут нарушить важные клеточные процессы и привести к множеству заболеваний, включая рак и артрит. Адгезия клеток также важна при заболеваниях, вызываемых инфекционными организмами, такими как бактерии или вирусы.

Рисунок 1. Схема клеточной адгезии

Классификации

САМ делятся на четыре основных семейства: интегрины, суперсемейство иммуноглобулинов (Ig), кадгерин и селектины. Каждая из этих молекул адгезии выполняет разные функции и распознает разные лиганды. Кадгерины и иммуноглобулины являются гомотипическими САМ, потому что они непосредственно связываются с САМ одного и того же типа на другой клетке, тогда как интегрины и селектины являются гетерологичными САМ, которые связываются с САМ разных типов.Дефекты клеточной адгезии часто связывают с дефектами экспрессии САМ. В многоклеточных организмах связывание между САМ заставляет клетки прикрепляться друг к другу и образовывать структуру, называемую межклеточным соединением.

По назначению ячеечные соединения можно классифицировать как:

Якорные соединения (адгезивные соединения, десмосомы и гемидесмосомы), которые поддерживают клетки вдоль и укрепляют контакт между клетками.

Окклюзионные соединения (плотные соединения), которые закрывают промежутки между клетками через контакт клетка-клетка, создавая водостойкий барьер АН для диффузии.

Каналообразующие соединения (щелевые соединения), которые связывают протоплазму соседних клеток, обеспечивая перенос молекул между клетками.

Сигнальные соединения, которые могут быть синапсами в системе.

Альтернативно, межклеточные соединения можно разделить на 2 основных разновидности в соответствии с тем, что взаимодействует с клеткой: межклеточные соединения, в основном опосредованные кадгеринами, и соединения клетка-матрикс, в основном опосредованные интегринами.

Рисунок 2.Обзорная диаграмма различных типов межклеточных соединений, присутствующих в эпителиальных клетках, включая межклеточные соединения и межклеточные соединения.

Структурные характеристики белков клеточной адгезии

Белки клеточной адгезии обычно представляют собой гликопротеины, которые обеспечивают распознавание межклеточного матрикса и внеклеточного матрикса на внеклеточной поверхности. Большинство молекул клеточной адгезии имеют сходные конформации в адгезионных доменах. Например: адгезивные домены кадгерина, иммуноглобулина, фибронектина типа III и EGF представляют собой преимущественно β-листовые структуры.Обычным мотивом, участвующим в адгезии клеток, является структура греческого ключевого цилиндра, содержащая один или два антипараллельных β-сэндвича.

Ig-подобные домены являются основным классом греческих ключевых бочкообразных доменов. Они имеют сходство последовательностей с вариабельным или константным доменом антител, содержащим от семи до девяти антипараллельных β-цепей. Антипараллельные листы P образуют 3-D β-бочку. Ig-подобные домены стабилизируются гидрофобным ядром и дисульфидными связями. Они делятся на два основных набора: Ig C-подобные и Ig V-подобные домены.

Функционально связанные структурные характеристики белков клеточной адгезии

Белки клеточной адгезии обладают функциональным разнообразием. Взаимодействие молекул клеточной адгезии может быть гомофильным или гетерофильным белок-белковым взаимодействием или белок-углеводным взаимодействием. Структурные изменения молекул клеточной адгезии часто связаны с их функциональными свойствами.

Гомофильные белок-белковые взаимодействия.

Например, кадгерины представляют собой трансмембранные Ca ²⁺ -зависимые гомофильные молекулы адгезии.Кадгерины отвечают за поддержание контактов между подобными клетками в тканях. Адгезия между клетками опосредуется N-концевым доменом кадгеринов. Он содержит пять подобных внеклеточных доменов от EC1 до EC5. Рентгеноструктурные исследования N-кадгерина показали, что домен EC1 образует димер, в котором мономеры ориентированы параллельно с их адгезивной связывающей поверхностью, направленной наружу от плазматической мембраны. Мономерные звенья доменов EC1 взаимодействуют друг с другом антипараллельным образом, используя свои адгезивные связывающие поверхности и формируя структуру β-цилиндра.Предполагаемый интерфейс взаимодействия, как предполагалось, имел как гидрофобный, так и полярно-заряженный характер, который имитировал интерфейс взаимодействия доменов иммуноглобулина друг с другом в суперсемействе Ig.

Гетерофильные белок-белковые взаимодействия.

Например, связывание интегринов с различными рецепторами клеточной поверхности и лигандами внеклеточного матрикса является основным классом гетерофильных белок-белковых взаимодействий в системах клеточной адгезии. После связывания с растворимым фибриногеном интегрин αIIbβ3 превращается в состояние связывания с высоким сродством.Конформационные изменения интегрина, вызванные связыванием лиганда, в этом случае критичны для его адгезивной активности. Связывание Т-клеточного рецептора также может модулировать аффинность связывания интегрина, антигена-1, ассоциированного с функцией лейкоцитов (LFA-1), с его рецепторами, такими как ICAM-1 или ICAM-2 (молекула межклеточной адгезии). Связывание ICAM-1 может дополнительно вызывать конформационные изменения LFA-1. Адгезивный сайт связывания белка расположен на С-конце LFA-1, согласно данным рентгеноструктурного исследования.Трипептид, аргинин-глицин-аспарагиновая кислота (RGD), является общим мотивом связывания лиганда интегрина. Например, модуль фибронектина, связывающий интегрин-лиганд типа III, имеет структуру «бочонок греческого ключа», мотив RGD которой, расположенный на вершине петли, соединяющей цепи F и G β, опосредует адгезию. Выпрямление RGD-петли до более линейной флуктуирующей конформации путем разворачивания снижает доступность петли для интегринов, связанных с поверхностью, и, следовательно, снижает сродство и селективность связывания.

Белок-углеводные взаимодействия.

Селектины играют важную роль во взаимодействии лимфоцитов и нейтрофилов с эндотелием сосудов. Селектины — это молекулы адгезии, которые связываются с углеводами. Прямых структурных данных о связывании селектинов с углеводами пока нет. Селектины связывают углеводы с низким сродством и имеют очень высокую скорость включения и выключения.

Ссылки:

1. Meng, W .; и др. .Соединение адгезивов: молекулярная архитектура и регуляция. Annu. Rev. Biochem. 2009, 1 (6): a002899.

2. Nicholl ID .; и др. . Структура альфа-катенина и наноразмерная динамика в растворе и в комплексе с F-актином. Биофизический журнал. 2018, 115 (4): 642-654.

Архитектура межклеточной адгезии, опосредованной помощниками

Значимость

Клеточная адгезия важна для выживания живых организмов и опосредуется молекулами адгезии, которые соединяют мембраны соседних клеток.Молекулы клеточной адгезии обычно имеют длинные гибкие эктодомены, и их структура широко изучалась в последние десятилетия. Однако из-за технических ограничений, как эти длинные молекулы собираются между мембранами и каковы механизмы формирования границ клеточной адгезии, не совсем понятны. Здесь мы объединяем электронную микроскопию с другими биофизическими методами для исследования структуры клеточно-клеточной адгезии, опосредованной молекулами Sdk, и создания трехмерных изображений интерфейсов адгезии in situ, тем самым раскрывая архитектуру и потенциальный механизм Sdk-опосредованной адгезии клеток. на молекулярном уровне.

Abstract

Межклеточная адгезия важна для роста клеток, развития тканей и формирования нейронной сети. Структуры молекул клеточной адгезии широко изучались с помощью кристаллографии, позволяющей выявить молекулярные детали границ адгезии. Однако из-за технических ограничений общая структура и организация молекул адгезии на границах адгезии клеток не были полностью исследованы. Здесь мы объединяем электронную микроскопию и другие биофизические методы, чтобы охарактеризовать структуру клеточно-клеточной адгезии, опосредованной молекулой клеточной адгезии Sidekick (Sidekick-1 и Sidekick-2), и получить трехмерные изображения интерфейсов адгезии, опосредованной Sidekick, а также организация молекул Sidekick между клеточными мембранами с помощью электронной томографии.Результаты показывают, что Ig-подобные домены и домены фибронектина III (FnIII) ​​Sidekicks играют разные роли в клеточной адгезии. Ig-подобные домены опосредуют гомофильные трансвзаимодействия, соединяющие соседние клетки, тогда как домены FnIII взаимодействуют с мембранами, приводя к плотному интерфейсу адгезии между клетками, что может вносить вклад в специфичность и пластичность межклеточных контактов во время роста клеток и нервного развития.

Межклеточные взаимодействия важны для выживания живых организмов.Клеточная адгезия является основным типом межклеточного контакта для поддержания многоклеточных структур и опосредуется молекулами клеточной адгезии, которые соединяют мембраны соседних клеток посредством гомофильных или гетерофильных взаимодействий (1, 2). На сегодняшний день идентифицировано большое количество молекул клеточной адгезии, которые участвуют во многих биологических процессах, включая рост клеток, миграцию и формирование клеточной сети, и играют множество ролей, помимо соединения клеток (3-5). Хотя молекулы клеточной адгезии демонстрируют большое функциональное разнообразие, их основные структурные особенности менее разнообразны, что предполагает эволюционные отношения между этими молекулами (6).Например, многие молекулы адгезии принадлежат к суперсемейству Ig (IgSF), которое обычно содержит ряд Ig-подобных доменов, а также доменов других типов, таких как домен фибронектина типа II или III (FnII или III). Общее количество доменов варьируется в разных случаях, и, что удивительно, некоторые молекулы адгезии имеют более 10 внеклеточных доменов, что приводит к образованию длинных гибких молекул (6, 7). Неясно, почему большое количество доменов необходимо для молекул адгезии и как эти домены вносят вклад в специфичность и пластичность межклеточных контактов.Чтобы ответить на эти вопросы, необходимы структурные исследования границ адгезии; тем не менее, современные методы визуализации не могут предоставить подробные сведения о границах адгезии с высоким разрешением. В связи с развитием электронной микроскопии (ЭМ) в последние годы, электронная томография (ЭТ) стала мощным методом для создания трехмерных изображений биологических образцов, таких как органеллы, клетки или ткани (8⇓ – 10), что обеспечивает практическое применение. инструмент для визуализации межклеточных контактов в 3D, который пролил бы свет на архитектуру и молекулярные механизмы межклеточных взаимодействий (11, 12).

Белки Sidekick (Sdk) являются членами IgSF. Их внеклеточная часть содержит шесть N-концевых Ig-подобных доменов, за которыми следуют 13 доменов FnIII, которые могут быть одним из крупнейших эктодоменов в IgSF (13). Было показано, что Sdk необходим для формирования глазного паттерна Drosophila (14) и, аналогичным образом, их гомологи позвоночных, Sdk1 и Sdk2, могут способствовать связности, специфичной для ламината, в развитии сетчатки (15). Недавно было показано, что Sdk2 важен для формирования цепи сетчатки, которая обнаруживает дифференциальные движения (16).Сообщается, что помимо своих нейрональных функций, Sdk также функционируют в ненейрональных системах, таких как почки, сердце, кишечник и желудок, и участвуют в развитии органов, а также в путях патогенеза (17, 18).

Роль молекул клеточной адгезии в нервных системах широко исследовалась, поскольку они важны для формирования нейронных сетей, в которых миллиарды нейронов связаны со специфичностью и пластичностью (19, 20). Было показано, что молекулы адгезии являются не только каркасом для нейронных контактов, они также могут вносить вклад в специфичность связности нейронов (3, 13, 21).Сообщалось, что Sdk обладают гомофильной адгезионной активностью и концентрируются в синапсах как детерминанты ламинарно-специфической синаптической связи в сетчатке позвоночных (15, 22, 23). Наряду с Sdks, Dscam, DscamL1 и контактины, которые также являются молекулами IgSF с гомофильными адгезионными активностями, имеют сходные функции в определении ламинарной специфичности в развитии сетчатки (24, 25). Таким образом, эти молекулы были предложены в качестве кодов IgSF для определения специфичности нацеливания на пластинку через гомофильные взаимодействия (25).Хотя функции Sdk были изучены как в нейрональных, так и в ненейронных системах, общая структура и организация молекул Sdk в интерфейсах адгезии остаются неясными.

Здесь мы охарактеризовали эктодомены Sdks мышей с помощью электронной микроскопии и исследуем роли Ig-подобных доменов и FnIII доменов Sdks в формировании границ адгезии. Кроме того, мы исследуем архитектуру Sdk-опосредованной клеточной адгезии с помощью метода замораживания и замещения при высоком давлении (HPF-FS) и генерировали трехмерные изображения границ адгезии с помощью электронной томографии.

Результаты

Эктодомены Sdks принимают гибкие конформации и образуют гомофильные димеры.

Эктодомены как Sdk1, так и Sdk2, которые содержат шесть Ig-подобных доменов и 13 доменов FnIII (фиг. 1 A ), были экспрессированы в клетках HEK293. Эксклюзионная хроматография (SEC) показала, что эктодомены элюируются намного раньше, чем ожидалось, предполагая, что Sdks могут существовать в виде гомофильных димеров в растворе ( SI Приложение , Fig. S1). Для прямой визуализации конформации Sdks очищенные белки отрицательно окрашивали и исследовали с помощью электронной микроскопии.EM изображения показали, что эктодомены Sdk1 и Sdk2 принимают линейную форму с множественными конформациями (Fig. 1 B и C ). Согласно средней длине индивидуального Ig-подобного домена и домена FnIII (~ 4 нм), длина полностью вытянутого эктодомена Sdk составляла около 76 нм (рис. 1 D ). Однако ЭМ-изображения также показали, что длина эктодоменов Sdk1 и Sdk2 составляет около 140 нм, что позволяет предположить, что они образуют гомофильные димеры (рис. 1 B — E ).Сообщалось, что гомофильная адгезия молекул Sdk происходила на N-концевых Ig-подобных доменах (22, 23), поэтому мы выделили центральные области димеров Sdk на ЭМ-изображениях и выполнили 2D-усреднение (рис. B и C ). Полученные изображения выявили контуры с низким разрешением доменов, участвующих в формировании гомофильных димеров Sdks (рис. 1 B и C , вставки ).

Рис. 1.

Эктодомены Sdk1 и Sdk2 образуют гомофильные димеры с гибкими конформациями.( A ) Доменная организация Sdk1 и Sdk2. ( B ) Негативно окрашенные ЭМ-изображения эктодомена Sdk1 (белые стрелки, , верхний ) и выбранных частиц Sdk1 (белые стрелки, , нижний, ) как гомофильных димеров с гибкими конформациями. Потенциальные димерные головки Sdk1 показаны белыми квадратами. Усредненное по классу 2D изображение димерной головки Sdk1 показано на вставке . ( C ) Негативно окрашенные ЭМ-изображения эктодомена Sdk2 (белые стрелки, , верхний ) и выбранных частиц Sdk2 (белые стрелки, , нижний, ) как гомофильных димеров с гибкими конформациями.Потенциальные димерные головы Sdk2 показаны белыми квадратами. Усредненное по классу 2D изображение димерной головки Sdk2 показано на вставке . ( D ) Схематическая модель расширенного эктодомена Sdk. ( E ) Схематическая модель удлиненного гомофильного димера Sdk. Димеризованные подковообразные головки показаны черным пунктирным прямоугольником. (Масштаб: B и C, 20 нм; B и C , Вставки , 5 нм.)

Из-за очень гибкой конформации Sdks определение интактных структур эктодоменов Sdk будет быть трудным как для кристаллографии, так и для одночастичной реконструкции ЭМ.Таким образом, мы экспрессировали четыре N-концевых Ig-подобных домена мышиных Sdk1 и Sdk2 в инфицированных бакуловирусом клетках насекомых. Очищенные белки подвергали скринингу на предмет кристаллизации, и кристаллы Sdk1 Ig _{1 ~ 4} и Sdk2 Ig _{1 ~ 4} были получены и уточнены до разрешения 1,6 Å и 2,4 Å соответственно ( SI Приложение , рис. S2 и Таблица S1). Эти структуры подобны кристаллическим структурам Sdk1 Ig _1∼4 и Sdk2 Ig _1∼4 , опубликованным недавно (23).Кристаллические структуры показали, что четыре N-концевых домена Sdks складываются в типичные Ig-подобные домены, которые принимают конформацию в форме подковы ( SI Приложение , рис. S2), как обнаружено в структурах других молекул клеточной адгезии, таких как гемолин. и контактином (26, 27). Кристаллические структуры также показали, что как Sdk1 Ig _1∼4 , так и Sdk2 Ig _1∼4 образуют гомофильные димеры ( SI Приложение , рис. S2), что согласуется с результатами SEC и изображениями ЭМ (рис. 1). .Гомофильные взаимодействия Sdk происходят между Ig1 и Ig2, что согласуется с предыдущими исследованиями мутагенеза и структурой (22, 23). Общая форма димерных структур Sdk от Ig1 до Ig4 напоминает результаты 2D усреднения из EM (рис.1 B и C , вставки ), предполагая, что Ig1 и Ig2 могут быть единственными контактирующими доменами, опосредующими гомофильность Sdk. димеризация.

Sdks опосредуют клеточную адгезию через N-концевые Ig-подобные домены.

Перед структурной характеристикой клеточной адгезии, опосредованной Sdk, мы создали серию конструкций Sdk со вставкой GFP между эктодоменом и трансмембранным доменом и контролировали клеточную адгезию трансфицированных клеток HEK293 с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии (рис.2). Результаты показали, что адгезию клеток можно было наблюдать при трансфекции как полноразмерных Sdk1, так и Sdk2, а также мутанта Sdk1, содержащего только N-концевые Ig-подобные домены (Ig 1 ~ 6), где границы адгезии были выделены между соседними клетками. (Рис.2 B ). Напротив, мутант Sdk1 без четырех N-концевых Ig-подобных доменов не смог сформировать адгезионные интерфейсы между клетками (рис. 2 B ), тем самым подтверждая важность Ig-подобных доменов в гомофильной адгезии Sdk, что согласуется с приведенные выше ЭМ и кристаллографические данные, а также опубликованные результаты (22, 23).Примечательно, что интенсивности флуоресценции на границах раздела адгезии, индуцированные Sdk, были намного ярче, чем области неадгезии на поверхности клетки, подразумевая, что молекулы Sdk могут быть плотно упакованы или собраны на границах раздела адгезии (рис. 2 B ).

Рис. 2.

Адгезия клеток, опосредованная Sdks. ( A ) Схема конструкций Sdk с GFP (зеленый), созданных для анализов клеточной адгезии. ( B ) Межклеточная адгезия, контролируемая флуоресцентной микроскопией.Клетки HEK293, трансфицированные Sdk1, Sdk2, Sdk1 Ig _{1 ~ 6} , образуют интерфейсы адгезии (белые стрелки) между клетками, тогда как клетки HEK293, трансфицированные Sdk1 Ig _{5 ~ 6} -FnIII _{1 ~ 13} , не имеют адгезии между клетками. (Масштаб: 10 мкм.)

Домены FnIII Sdks взаимодействуют с липидными мембранами.

Согласно приведенным выше ЭМ-изображениям очищенные эктодомены Sdk были очень гибкими с множественными конформациями, а полностью протяженные гомофильные димеры Sdk имели длину ~ 140 нм (рис.1 E ), поэтому можно было бы ожидать, что межмембранное расстояние может варьироваться для границ адгезии. Однако конфокальные изображения показали, что интерфейсы адгезии, образованные Sdks, демонстрируют примерно однородное распределение по расстоянию между соседними клеточными мембранами (рис. 2 B ), подразумевая, что эти длинные гибкие молекулы могут принимать относительно жесткие конформации на границах раздела адгезии. Среди шести Ig-подобных доменов Sdks четыре N-концевых Ig-подобных домена образуют транс--гомофильный димер, как показано кристаллическими структурами, поэтому они должны вносить вклад в межмембранное расстояние между клетками.Домены FnIII, которые составляют примерно две трети длины Sdks, также могут регулировать расстояние между клеточными мембранами. Однако точные роли Ig-подобного домена и домена FnIII в определении межмембранного расстояния неясны. Чтобы решить эту проблему, мы оценили потенциальные взаимодействия Sdks с липидными мембранами, используя анализ липосом, который использовался для изучения белок-липидных взаимодействий (28, 29). Липосомы были приготовлены с фосфатидилхолинами, которые являются основным компонентом клеточной мембраны, особенно на экзоплазматической створке (29–31).Неожиданно мы обнаружили, что эктодомены как Sdk1, так и Sdk2 могут быть стянуты липосомами (Fig. 3 A и C ). Затем мы сконструировали серию мутантов с укорочением Sdk для анализа липосом. Результаты показали, что фрагменты как Sdk1-, так и Sdk2-содержащих FnIII _1∼13 , FnIII _1∼6 или FnIII _7∼13 могут быть удалены липосомами (рис. 3 A и ). С ). Эти результаты аналогичны рецептору EphA2, где домен FnII взаимодействует с липидной мембраной (28).Напротив, фрагменты, включающие только Ig-подобный домен 1 ~ 4, которые образуют подковообразные головки Sdks, не обнаруживали связывания с липосомами (фиг. 3 B и D ). Интересно, что фрагменты, содержащие Ig-подобный домен 1 ~ 6, также обнаруживают аффинность связывания с липосомами, подтверждая, что Ig-подобный домен 5-6 также может взаимодействовать с липидной мембраной (Fig. 3 B и D ). Взятые вместе, эти данные подтверждают, что большая часть эктодоменов Sdk, особенно доменов FnIII, может ассоциироваться с липидами, возможно, «лежа» на поверхности мембраны, таким образом уменьшая межмембранное расстояние на границах адгезии.

Рис. 3.

Домены FnIII Sdks взаимодействуют с липосомами. Супернатанты после промывки (W) и осадки липосом (P) анализируют с помощью вестерн-блоттинга ( A — D ). ( A ) Эктодомен и фрагменты, содержащие только домен FnIII (Sdk1 FnIII _{1 ~ 13} , Sdk1 FnIII _{1 ~ 6} , Sdk1 FnIII _{7 ~ 13} ) Sdk1 могут быть удалены липосомами. ( B ) Sdk1 Ig _1∼6 может быть сброшен липосомами, в то время как Sdk1 Ig _1∼4 не взаимодействует с липосомами.( C ) Эктодомен и фрагменты, содержащие только домен FnIII (Sdk2 FnIII _{1 ~ 13} , Sdk2 FnIII _{1 ~ 6} , Sdk2 FnIII _{7 ~ 13} ) Sdk2 могут быть удалены липосомами. ( D ) Sdk2 Ig _{1 ~ 6} может быть вытянут липосомами, в то время как Sdk2 Ig _{1 ~ 4} не взаимодействует с липосомами. ( E и G ) Крио-изображения границ адгезии (белый квадрат), образованных между липосомами, включенными в эктодомен Sdk1. ( F и H ) Томографические срезы границ адгезии, указанные в E и G , соответственно.Указаны и обозначены межмембранные расстояния. (Масштабные линейки: E и G , 15 нм; F и H , 10 нм.)

Эктодомены Sdks создают прочную адгезию между липидными мембранами.

Для непосредственной визуализации интерфейсов адгезии Sdk мы использовали липосомы для моделирования образования клеточной адгезии путем присоединения очищенного эктодомена Sdk1, слитого с His-меткой на С-конце, к липосомам, приготовленным с липидами никеля DOPC и DOGS-NTA, поэтому связывание между Его метка и липид DOGS-NTA могут имитировать экспрессируемую клеткой молекулу Sdk на поверхности клетки (32), которая закреплена на плазматической мембране через трансмембранную спираль.Липосомы, содержащие Sdk, замораживали в погружном морозильнике при температуре жидкого азота и загружали в электронный микроскоп для получения изображений и сбора криоэлектронных томографических данных. Крио-ЭМ-изображения показали, что границы адгезии образовывались между липосомами путем добавления очищенного эктодомена Sdk1 (фиг. 3 E и G ). Для измерения межмембранных расстояний и визуализации границ адгезии в 3D были рассчитаны томографические реконструкции, и результаты показали, что Sdk1-опосредованные интерфейсы адгезии между липосомами имеют равномерно распределенное расстояние ~ 7 нм (рис.3 F и H ), намного короче общей длины димера Sdk1, которая составляет ∼140 нм (рис. 1), что подтверждает предложенную выше модель адгезии, в которой домены FnIII молекул Sdk лежали на клеточная поверхность. Более того, в соответствии с флуоресцентными изображениями, темная томографическая плотность между двумя соседними мембранами указывает на то, что эктодомен Sdk1 может быть плотно упакован в интерфейсах (Fig. 3 F и H ). К сожалению, отдельные молекулы Sdk, образующие адгезионные связи между мембранами, не могут быть однозначно идентифицированы на томограммах, вероятно, из-за низкой контрастности условий криоизображения.

Sdks обеспечивают плотную адгезию между клеточными мембранами.

Чтобы проверить результаты липосомной адгезии и визуализировать границы клеточной адгезии непосредственно на месте, мы трансфицировали клетки HEK293 полноразмерными Sdk1 и Sdk2, а также двумя мутантами, содержащими только Ig-подобный домен, Sdk1 Ig _{1 ~ 6} и Sdk2 Ig _1∼6 . Трансфицированные клетки выращивали на сапфировых дисках для HPF-FS (33), затем образцы, залитые пластиком, делали срезы и отображали с помощью электронной микроскопии ( SI Приложение , рис.S3 A ). Формирование Sdk-опосредованных интерфейсов адгезии было также подтверждено экспериментами по иммунному мечению золотом ( SI Приложение , рис. S3 B ). Чтобы определить местонахождение Sdk-опосредованных интерфейсов адгезии, мы сначала проверили образование клеточной адгезии под флуоресцентным микроскопом и отметили положения потенциальных интерфейсов клеточной адгезии на сапфировых дисках (рис. 4 A, и SI, приложение , рис. S3 A). ) (34). Затем маркеры были перемещены на залитый пластиком полимерный блок для обрезки и разрезания, таким образом коррелируя флуоресцентные мишени с ЭМ (рис.4 A и B и SI Приложение , рис. S3 A ) (12). Эта процедура гарантировала, что Sdk-опосредованные интерфейсы адгезии, идентифицированные флуоресцентной визуализацией, могут быть расположены специально на тонких срезах для ЭМ. Полученные в результате ЭМ изображения показали, что липидные бислои клеточной мембраны, а также границы адгезии были четко видны с лучшим контрастом по сравнению с результатами криовизуализации (рис. 4 и приложение SI, приложение , рис. S4 и S5). Действительно, границы адгезии между клеточными мембранами намного уже, чем длина очищенных димеров Sdk.Усредненные межмембранные расстояния ( D ) составляли ∼7 нм для полноразмерного Sdk1 (рис.4 D и 5 I и SI Приложение , рис. S4) и Sdk2 (рис.4 F ). и 5 I и SI Приложение , рис. S4), аналогично расстояниям, обнаруженным в моделях адгезии на основе липосом (рис. 3). Межмембранные расстояния интерфейсов, образованных только фрагментами Sdk Ig-подобного домена, составляли ~ 5 нм (рис.4 E и G и 5 I и SI Приложение , рис.S5), немного уже, чем промежуток, образованный полноразмерными Sdks (рис. 5 I ). Это неудивительно, поскольку домены FnIII могут вносить некоторый вклад в межмембранное расстояние, даже если они лежат на поверхности клетки.

Рис. 4.

Корреляционная световая электронная микроскопия и ЭМ изображения Sdk-опосредованных интерфейсов клеточной адгезии. ( A ) Объединенное флуоресцентное микроскопическое изображение, показывающее образование клеточной адгезии ( слева, ; белые стрелки) между клетками, трансфицированными Sdk1, на сапфировом диске с углеродным маркером (серый).Флуоресцентные изображения Sdk1-опосредованных интерфейсов адгезии (белые стрелки), сформированные между адгезивными парами клеток на сапфировом диске ( Правый ). ( B ) Пара Sdk1-опосредованной клеточной адгезии, идентифицированная с помощью флуоресцентного изображения ( слева, ; красный прямоугольник), может быть расположена на залитых пластиком срезах ( справа, ; красный прямоугольник), полученных после консервирования HPF для ЭМ . ( C ) Электронная микрофотография Sdk1-опосредованного интерфейса клеточной адгезии, обнаруженная с помощью корреляционной свето-электронной микроскопии из B (красный прямоугольник).( D ) Электронная микрофотография интерфейса клеточной адгезии (белые стрелки), опосредованного полноразмерным Sdk1. ( E ) Электронная микрофотография интерфейса клеточной адгезии (белые стрелки), опосредованного Sdk1 Ig _{1 ~ 6} . ( F ) Электронная микрофотография интерфейса клеточной адгезии (белые стрелки), опосредованного полноразмерным Sdk2. ( G ) Электронная микрофотография интерфейса клеточной адгезии (белые стрелки), опосредованного Sdk2 Ig _{1 ~ 6} .(Масштаб: A, слева, 100 мкм; A, справа и B , 50 мкм; C , 2 мкм; D — G , 25 нм.)

Рис.

Архитектура Sdk-опосредованной межклеточной адгезии, выявленная с помощью электронной томографии. ( A ) Томографический срез интерфейса клеточной адгезии (белые стрелки), сформированный Sdk1. ( B ) Изоповерхность томографической плотности, показывающая связи и организацию молекул Sdk1 между клеточными мембранами.( C ) Томографический срез интерфейса клеточной адгезии (белые стрелки), сформированный Sdk2. ( D ) Изоповерхность томографической плотности, показывающая связи и организацию молекул Sdk2 между клеточными мембранами. ( E ) Подгонка кристаллической структуры гомофильного димера Sdk1 Ig _{1 ~ 5} (пурпурный и оранжевый; код PDB ID 5k6w) в томографическую плотность (голубой) Sdk1 на границе адгезии. ( F ) Другой вид подгонки Sdk1 Ig _{1 ~ 5} к томографической плотности (голубой), показывающий наклонные положения подковообразных головок Sdk1 (пурпурный и оранжевый) на клеточные мембраны.( G ) Изоповерхность томографической плотности (зеленый), показывающая связи и организацию молекул Sdk1 Ig _{1 ~ 6} между клеточными мембранами. ( H ) Изоповерхность томографической плотности (зеленый), показывающая связи и организацию молекул Sdk2 Ig _{1 ~ 6} между клеточными мембранами. ( I ) Усредненные межмембранные расстояния ( D ) и расстояния между соединениями Sdk ( d ) в интерфейсах опосредованной Sdk адгезии.( J ) Структурная модель гомофильной пары Sdk между клеточными мембранами. ( K ) Модель интерфейса клеточной адгезии, опосредованного молекулами Sdk. (Масштаб: 25 нм.)

Согласно исследованиям связывания липосом (рис. 3), домены FnIII и Ig-подобный домен 5–6 Sdks могут ассоциироваться с клеточной мембраной, что позволяет предположить, что подковообразные головки SDK будет ключевым компонентом для определения расстояния между соседними мембранами. Кристаллические структуры показывают, что N-концевой подковообразный димер Sdk имеет длину около 8 ~ 9 нм ( SI Приложение , рис.S2), предполагая, что может потребоваться наклон между мембранами, чтобы соответствовать межмембранному расстоянию, которое составляет около 7 нм (рис. 5). Фактически, согласно кристаллической структуре, которая включает Ig-подобный домен 1 ~ 5 Sdk1 (23), существует угол наклона около 130 ° между Ig4 и Ig5 (рис. 5 J ), что соответствует ориентации потенциала. подковообразного димера Sdk на границах адгезии. Взятые вместе, результаты, касающиеся подковообразной головки, Ig-подобных доменов и доменов FnIII, обеспечивают структурную модель межклеточной адгезии, опосредованной Sdks (рис.5 Дж ).

Визуализация Sdk-опосредованной клеточной адгезии с помощью электронной томографии.

Чтобы проверить структурную модель Sdk-опосредованной клеточной адгезии, мы реконструировали томограммы интерфейсов адгезии, образованных полноразмерными Sdk1 и Sdk2 (Рис. 5 A и C и SI Приложение , Рис. S6), а также мутантов, содержащих только Ig-подобный домен, Sdk1 Ig _1∼6 и Sdk2 Ig _1∼6 , и сгенерировали трехмерные изображения границ раздела адгезии (рис.5 и SI Приложение , рис. S6). Как и ожидалось, образцы, приготовленные HPF, показали лучший контраст, чем крио-образцы: отдельные Sdk-соединения между клеточными мембранами можно идентифицировать на томограммах (рис. 5 B и D ), что обеспечивает визуализацию архитектуры in situ интерфейсов адгезии опосредует Sdks. Хотя атомарные детали отдельных Sdk-соединений между клеточными мембранами нельзя увидеть из-за ограничения разрешения, трехмерная визуализация интерфейсов адгезии по-прежнему информативна.Объемы соединений Sdk в интерфейсах показывают некоторые отклонения, которые могут быть вызваны реагентами, использованными во время подготовки пробы HPF-FS. Средний диаметр отдельных Sdk-соединений между мембранами составляет около 4,7 ± 1,6 нм. Согласно кристаллическим структурам, размер димера подковообразной головки Sdk составляет около ∼8 нм в длину и ∼5 нм в диаметре ( SI Приложение , рис. S2), что соответствует размеру отдельных соединений Sdk на томограммах. (Рис.5 E и F ).Подковообразный димер Sdk может быть достаточно хорошо вписан в плотность соединений Sdk и генерировать молекулярную модель для интерфейса адгезии (рис. 5 E и F ). Заметной особенностью томограмм является то, что большинство Sdk-соединений в интерфейсах не перпендикулярны клеточной мембране, а вместо этого имеют угол наклона около 130 ° (Fig. 5 F ). Это согласуется с моделью, предложенной ЭМ-изображениями и кристаллическими структурами (рис. 5 J ).Предыдущие исследования показали, что миелин P ₀ может взаимодействовать с клеточной мембраной через открытые остатки триптофана (35). Интересно, что согласно кристаллической структуре Sdk1 Ig _{1 ~ 5} (23), существует консервативный остаток триптофана Trp553 (соответствует Trp473 в коде PDB ID 5k6w) как для Sdk1 (Trp553), так и для Sdk2 (Trp497) рядом с C -концевой конец Ig5, поэтому аналогичные мембранные взаимодействия могут происходить для молекул Sdk на поверхности клетки. Кроме того, выступы на поверхности мембраны могут быть обнаружены в некоторых областях на томограммах, которые могут быть связаны с кластерами цис молекул Sdk на поверхности клетки, но подробности недоступны при текущем разрешении.

Параллельно рассчитываются томограммы адгезионных интерфейсов, образованных мутантами Sdk Ig-like domain-only (рис. 5 G и H ), выявляя адгезионные связи между клеточными мембранами. Действительно, межмембранные расстояния, образованные мутантами, содержащими только Ig-подобный домен Sdk, короче, чем расстояние, образованное интактным эктодоменом Sdk (рис. 5 I ), что ожидается, поскольку домены FnIII могут вносить небольшой вклад в межмембранное расстояние. хотя они лежат на поверхности клетки.Однако плотности адгезионных связей этих мутантов (рис. 5 G и H ) намного хуже, чем в интерфейсах, образованных полноразмерными Sdks (рис. 5 B и D ). , предполагая, что домены FnIII могут также играть роль в стабилизации интерфейсов адгезии, хотя они не образуют транс взаимодействий между клетками. Если предположить, что домены FnIII лежат на поверхности мембраны, их плотности могут быть объединены с плотностями клеточных мембран и, следовательно, не будут разрешены при разрешении томографических реконструкций (рис.5 B и D ). Тем не менее, расстояние между отдельными соединениями Sdk ( d ) в интерфейсах можно измерить, показывая, что среднее расстояние между полноразмерными соединениями Sdk составляет около 6,5 нм (рис. 5 E и I ). Напротив, среднее расстояние между соединениями, образованными мутантами, содержащими только Ig-подобный домен, составляет около 11 нм с большими вариациями (рис. 5 I ), что позволяет предположить, что домены FnIII могут не только связываться с клеточными мембранами, но и регулируют распределение молекул Sdk в интерфейсах, вероятно, посредством взаимодействий cis между молекулами Sdk (36), что может приводить к сети Sdk на поверхности клетки и вносить вклад в стабильность и пластичность интерфейсов адгезии между клетками (рис.5 К ).

Обсуждение

Молекулы клеточной адгезии, такие как молекулы IgSF, обычно имеют длинную внеклеточную часть, содержащую несколько доменов. N-концевые домены обычно образуют гомофильные пары, опосредуя взаимодействие trans между клеточными мембранами. Для молекул адгезии IgSF N-концевые Ig-подобные домены могут принимать либо линейную, либо подковообразную конформацию для взаимодействий транс . Потенциальное преимущество конформации в форме подковы заключается в том, что она может обеспечивать относительно большие границы связывания с более высокой специфичностью и селективностью ( SI Приложение , рис.S2). В случае Dscam его N-концевые Ig-подобные домены образуют уникальную S-образную конформацию (двойную подкову) с большей границей димеризации по сравнению с подковообразной конформацией, тем самым обеспечивая структурные основы для димеризации большого количества изоформ (37). Следовательно, количество и конформация N-концевых Ig-подобных доменов могут коррелировать с селективностью и специфичностью молекул адгезии IgSF.

Sdks, Dscams и контактины представляют собой молекулы адгезии IgSF, играющие важную роль в установлении субламинарной специфичности в сетчатке (15, 25), и были предложены в качестве кодов распознавания клеточной поверхности для формирования точных синаптических связей в нервной системе (25).Кристаллическая структура этих молекул выявила молекулярные детали N-концевых Ig-подобных доменов, а также некоторых доменов Fn (23, 37–39). Хотя эти N-концевые домены принимают консервативную конформацию в форме подковы, паттерны их димеризации отличаются. Димеры Sdks образуются за счет взаимодействий между Ig1 и Ig2 мономеров, в то время как димеризация Dscam формируется за счет взаимодействий с Ig2, Ig3 и Ig7 (37). Различные модели димеризации также обнаружены для других подковообразных голов (27, 39, 40), предполагая, что режимы димеризации также могут иметь отношение к функциональной активности молекул адгезии IgSF.

Общей чертой многих адгезионных молекул IgSF является то, что они обычно содержат разные типы доменов (6). Ig-подобные домены обычно располагаются на N-конце и участвуют в гомофильных или гетерофильных взаимодействиях, образуя транс взаимодействий между клеточными мембранами. Домены FnII или FnIII также часто встречаются в молекулах адгезии IgSF, а количество доменов Fn варьируется в разных случаях (13). Однако роли доменов Fn в клеточной адгезии четко не определены, хотя было высказано предположение, что домены Fn могут участвовать во взаимодействиях цис- и способствовать образованию кластеров на границах раздела адгезии (36).Подобно другим молекулам адгезии IgSF, N-концевые Ig-подобные домены Sdks опосредуют транс -гомофильную адгезию. Примечательной особенностью молекул Sdk является то, что они имеют 13 доменов FnIII, которые могут быть одним из крупнейших фрагментов FnIII среди молекул адгезии IgSF и составляют две трети эктодоменов Sdk (6). Протяженный эктодомен Sdk имеет длину примерно 70-80 нм, и ЭМ изображения показывают, что изолированные эктодомены Sdk обнаруживают очень гибкие конформации, было бы трудно представить, как эти длинные гибкие молекулы могут обеспечивать стабильные взаимодействия между клеточными мембранами.Однако результаты EM показывают, что интерфейсы адгезии, опосредованные Sdk, довольно узкие с постоянным межмембранным расстоянием, которое намного короче, чем длина эктодоменов Sdk, указывая тем самым, что большая часть эктодомена Sdk может не вносить непосредственный вклад в межмембранное расстояние. В самом деле, наши данные также показывают, что домены FnIII связаны с мембранами и, вероятно, лежат на поверхности мембраны, действуя как якоря для Sdk на клеточных мембранах. Между тем, домены FnIII могут также опосредовать цис- взаимодействия между молекулами Sdk и приводить к образованию сети на поверхности клетки, которая может стабилизировать адгезию между мембранами (рис.5 К ). Более того, мы также пытаемся идентифицировать потенциальные 2D-шаблоны Sdk в интерфейсах, но текущие данные не показывают очевидных 2D-шаблонов в интерфейсах, хотя могут существовать некоторые небольшие локальные шаблоны. Неясно, требуются ли какие-либо регулярные 2D-рисунки для формирования функциональных границ раздела или плотность упаковки молекул Sdk в интерфейсах может быть важна для адгезии.

Поскольку было идентифицировано большое количество адгезионных молекул IgSF, особенно в нервных системах, основные вопросы о клеточной адгезии заключаются в том, как эти молекулы организованы в интерфейсах и как они регулируют специфичность и пластичность адгезии.Результаты, полученные здесь для Sdks, могут предоставить общую модель для решения этих вопросов. Хотя молекулы адгезии могут иметь несколько доменов и гибкие конформации, они могут приводить к компактным границам адгезии с постоянным межмембранным расстоянием, и разные типы доменов играют разные роли в установлении границ адгезии. Ig-подобные домены могут вести себя как «крючки», опосредуя образование транс -гомофильных пар, в то время как домены Fn действуют как «якоря», связываясь с мембраной, а также вводят взаимодействия цис друг с другом, в результате чего образуются плотно упакованные стабильный интерфейс.Количество и конформация Ig-подобных доменов может отражать специфичность и селективность адгезионных взаимодействий, в то время как количество Fn-доменов может иметь отношение к пластичности или стабильности границ адгезии. Следовательно, комбинация различных типов доменов может развиться как структурные коды молекул адгезии IgSF для установления точных межклеточных контактов со специфичностью и пластичностью.

Материалы и методы

Эктодомен мышиных Sdk1, Sdk2 и их усеченные мутанты экспрессировались как в клетках насекомых, так и в клетках HEK293, а очищенные белки применялись для структурных и биохимических экспериментов.

Дополнительные подробности экспериментов можно найти в приложении SI , Материалы и методы .

Благодарности

Мы благодарим Национальный центр белковых исследований в Шанхае (системы электронной микроскопии и интегрированной лазерной микроскопии) за их инструментальную поддержку и техническую помощь. Мы благодарим линию пучка BL17U Шанхайского центра синхротронного излучения и BL19U1 Национального центра белковых исследований Шанхая за сбор рентгеновских кристаллографических данных.Эта работа поддержана Программой стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук, грант XDB08020102, Национальным фондом естественных наук Китая, грантами 31470735 и 31670747, а также Программой открытых исследований Китайской академии наук (Y.