Клеточная адгезия — это процесс, посредством которого клетки взаимодействуют и прикрепляются к соседним клеткам через специализированные молекулы клеточной поверхности. Этот процесс может происходить либо посредством прямого контакта между поверхностями клеток, таких как клеточные соединения, либо через непрямое взаимодействие, при котором клетки прикрепляются к окружающему внеклеточному матриксу — гелеобразной структуре, содержащей молекулы, высвобождаемые клетками в пространство между ними. [1] Адгезия клеток происходит в результате взаимодействия между молекулами клеточной адгезии (CAM), [2] трансмембранными белками, расположенными на поверхности клетки. Клеточная адгезия связывает клетки по-разному и может участвовать в передаче сигналов , позволяющих клеткам обнаруживать изменения в окружающей среде и реагировать на них. [1] [3] Другие клеточные процессы, регулируемые клеточной адгезией, включают миграцию клеток и развитие тканей в многоклеточных организмах . [4] Изменения в клеточной адгезии могут нарушить важные клеточные процессы и привести к множеству заболеваний, включая рак [5] [6] и артрит . [7] Клеточная адгезия также важна для инфекционных организмов, таких как бактерии или вирусы , которые вызывают заболевания . [8] [9]
САМ подразделяются на четыре основных семейства: интегрины , суперсемейство иммуноглобулинов (Ig) , кадгерины и селектины . [2] Кадгерины и IgSF являются гомофильными САМ, поскольку они напрямую связываются с САМ того же типа на другой клетке, тогда как интегрины и селектины представляют собой гетерофильные САМ, которые связываются с разными типами САМ. [2] [ нужна цитация ] Каждая из этих молекул адгезии имеет разные функции и распознает разные лиганды . Дефекты клеточной адгезии обычно связаны с дефектами экспрессии CAM.
В многоклеточных организмах связи между САМ позволяют клеткам прилипать друг к другу и создают структуры, называемые клеточными соединениями . По своим функциям клеточные соединения можно разделить на: [1]
С другой стороны, клеточные соединения можно разделить на два основных типа в зависимости от того, что взаимодействует с клеткой: межклеточные соединения, в основном опосредованные кадгеринами, и соединения клетка-матрикс, в основном опосредованные интегринами.
Межклеточные соединения могут возникать в разных формах. В якорных соединениях между клетками, таких как слипчивые соединения и десмосомы, основными присутствующими САМ являются кадгерины. Это семейство CAMs представляет собой мембранные белки, которые опосредуют межклеточную адгезию через свои внеклеточные домены и требуют внеклеточных ионов Ca 2+ для правильного функционирования. [2] Кадгерины образуют гомофильную связь между собой, что приводит к слипанию клеток одного типа и может привести к избирательной адгезии клеток, позволяя клеткам позвоночных собираться в организованные ткани. [1] Кадгерины необходимы для межклеточной адгезии и передачи сигналов между клетками у многоклеточных животных, и их можно разделить на два типа: классические кадгерины и неклассические кадгерины. [2]
Адгерентные соединения в основном служат для поддержания формы тканей и удержания клеток вместе. В слипчивых соединениях кадгерины между соседними клетками взаимодействуют через свои внеклеточные домены, которые имеют общую консервативную чувствительную к кальцию область в своих внеклеточных доменах. Когда эта область вступает в контакт с ионами Ca 2+ , внеклеточные домены кадгеринов претерпевают конформационное изменение от неактивной гибкой конформации к более жесткой конформации, чтобы подвергнуться гомофильному связыванию. Внутриклеточные домены кадгеринов также высоко консервативны, поскольку они связываются с белками, называемыми катенинами , образуя комплексы катенин-кадгерин. Эти белковые комплексы связывают кадгерины с актиновыми нитями . Эта ассоциация с актиновыми нитями необходима для адгезионных соединений и стабилизации межклеточной адгезии. [10] [11] [12] Взаимодействие с актиновыми нитями также может способствовать кластеризации кадгеринов, которые участвуют в сборке слипчивых соединений. Это связано с тем, что кластеры кадгерина способствуют полимеризации актиновых нитей , что, в свою очередь, способствует сборке слипчивых соединений путем связывания с комплексами кадгерин-катенин, которые затем образуются в месте соединения. [ нужна цитата ]
Десмосомы структурно похожи на слипчивые соединения, но состоят из разных компонентов. Вместо классических кадгеринов неклассические кадгерины, такие как десмоглеины и десмоколлины, действуют как молекулы адгезии и связаны с промежуточными нитями , а не с актиновыми нитями. [13] Катенин не присутствует в десмосомах, поскольку внутриклеточные домены десмосомальных кадгеринов взаимодействуют с белками десмосомальных бляшек, которые образуют толстые цитоплазматические бляшки в десмосомах и связывают кадгерины с промежуточными филаментами. [14] Десмосомы обеспечивают прочность и устойчивость к механическому стрессу за счет разгрузки сил на гибкие, но упругие промежуточные филаменты, чего не может произойти с жесткими актиновыми нитями. [13] Это делает десмосомы важными в тканях, которые подвергаются высоким уровням механического напряжения, таких как сердечная мышца и эпителий , и объясняет, почему они часто появляются в этих типах тканей.
Плотные соединения обычно присутствуют в эпителиальных и эндотелиальных тканях, где они закрывают разрывы и регулируют парацеллюлярный транспорт растворенных веществ и внеклеточных жидкостей в этих тканях, которые действуют как барьеры. [15] Плотное соединение образуется трансмембранными белками, включая клаудины , окклюдины и трицеллюлины, которые гомофильно связываются друг с другом на соседних мембранах. [1] Подобно якорным соединениям, внутриклеточные домены этих белков плотного соединения связаны с каркасными белками , которые удерживают эти белки в кластерах и связывают их с актиновыми нитями, чтобы поддерживать структуру плотного соединения. [16] Клаудины, необходимые для формирования плотных контактов, образуют парацеллюлярные поры, которые позволяют избирательно проходить определенным ионам через плотные контакты, делая барьер избирательно проницаемым. [15]
Щелевые соединения состоят из каналов, называемых коннексонами , которые состоят из трансмембранных белков, называемых коннексинами , сгруппированных в группы по шесть штук. [17] Коннексоны соседних клеток образуют непрерывные каналы, когда они вступают в контакт и выравниваются друг с другом. Эти каналы позволяют транспортировать ионы и небольшие молекулы между цитоплазмой двух соседних клеток, помимо удержания клеток вместе и обеспечивают структурную стабильность, например, закрепление соединений или плотных соединений. [1] Каналы щелевых соединений избирательно проницаемы для определенных ионов в зависимости от того, какие коннексины образуют коннексоны, что позволяет щелевым контактам участвовать в передаче сигналов в клетках путем регулирования переноса молекул, участвующих в сигнальных каскадах . [18] Каналы могут реагировать на множество различных стимулов и динамически регулируются либо с помощью быстрых механизмов, таких как стробирование напряжения , либо с помощью медленных механизмов, таких как изменение количества каналов, присутствующих в щелевых переходах. [17]
Селектины представляют собой семейство специализированных САМ, участвующих в временной межклеточной адгезии, происходящей в системе кровообращения. В основном они опосредуют движение лейкоцитов (лейкоцитов) в кровотоке, позволяя лейкоцитам «катиться» по эндотелиальным клеткам посредством обратимого связывания выделений. [19] Селектины подвергаются гетерофильным связываниям, поскольку их внеклеточный домен связывается с углеводами на соседних клетках вместо других селектинов, в то время как для функционирования ему также требуются ионы Ca 2+ , так же, как и кадгеринам. [1] Межклеточная адгезия лейкоцитов к эндотелиальным клеткам важна для иммунных реакций , поскольку с помощью этого механизма лейкоциты могут перемещаться к местам инфекции или повреждения. [20] В этих местах интегрины на вращающихся лейкоцитах активируются и прочно связываются с местными эндотелиальными клетками, позволяя лейкоцитам прекратить миграцию и двигаться через эндотелиальный барьер. [20]
Суперсемейство иммуноглобулинов (IgSF) является одним из крупнейших суперсемейств белков в организме и содержит множество разнообразных САМ, участвующих в различных функциях. Эти трансмембранные белки имеют один или несколько иммуноглобулиноподобных доменов во внеклеточных доменах и подвергаются кальций-независимому связыванию с лигандами на соседних клетках. [21] Некоторые CAM IgSF, такие как молекулы адгезии нервных клеток (NCAM), могут осуществлять гомофильное связывание, в то время как другие, такие как молекулы межклеточной клеточной адгезии (ICAM) или молекулы адгезии сосудистых клеток (VCAM), подвергаются гетерофильному связыванию с такими молекулами, как углеводы или интегрины. . [22] И ICAM, и VCAM экспрессируются на эндотелиальных клетках сосудов и взаимодействуют с интегринами на лейкоцитах, способствуя прикреплению лейкоцитов и их перемещению через эндотелиальный барьер. [22]
Клетки создают внеклеточный матрикс, высвобождая молекулы в окружающее их внеклеточное пространство. Клетки имеют специфические САМ, которые связываются с молекулами внеклеточного матрикса и связывают матрикс с внутриклеточным цитоскелетом . [1] Внеклеточный матрикс может выступать в качестве поддержки при организации клеток в ткани, а также может участвовать в передаче сигналов клетками, активируя внутриклеточные пути при связывании с CAM. [2] Соединения клетка-матрикс в основном опосредуются интегринами, которые также группируются, подобно кадгеринам, образуя прочные адгезии. Интегрины представляют собой трансмембранные гетеродимеры, образованные разными субъединицами α и β, причем обе субъединицы имеют разную доменную структуру. [23] Интегрины могут передавать сигналы в обоих направлениях: передача сигналов изнутри наружу, внутриклеточные сигналы, модифицирующие внутриклеточные домены, могут регулировать сродство интегринов к их лигандам, в то время как передача сигналов снаружи внутрь, внеклеточные лиганды, связывающиеся с внеклеточными доменами, могут вызывать конформационные изменения в интегринах. и инициировать сигнальные каскады. [23] Внеклеточные домены интегринов могут связываться с различными лигандами посредством гетерофильного связывания, в то время как внутриклеточные домены могут быть связаны либо с промежуточными филаментами, образуя гемидесмосомы, либо с актиновыми нитями, образуя фокальные спайки . [24]
В полудесмосомах интегрины прикрепляются к белкам внеклеточного матрикса, называемым ламининами, в базальной пластинке , которая представляет собой внеклеточный матрикс, секретируемый эпителиальными клетками. [1] Интегрины связывают внеклеточный матрикс с промежуточными нитями кератина , которые взаимодействуют с внутриклеточным доменом интегринов через адаптерные белки, такие как плектин и BP230. [25] Гемидесмосомы играют важную роль в поддержании структурной стабильности эпителиальных клеток, связывая их вместе косвенно через внеклеточный матрикс.
При фокальных спайках интегрины прикрепляют фибронектин , компонент внеклеточного матрикса, к актиновым нитям внутри клеток. [24] Белки-адаптеры, такие как талины , винкулины , α-актинины и филамины , образуют комплекс во внутриклеточном домене интегринов и связываются с актиновыми нитями. [26] Этот мультибелковый комплекс, связывающий интегрины с актиновыми нитями, важен для сборки сигнальных комплексов, которые действуют как сигналы для клеточного роста и подвижности клеток. [26]
Клетки растений тесно прилегают друг к другу и соединяются посредством плазмодесм — каналов, которые пересекают стенки растительных клеток и соединяют цитоплазмы соседних растительных клеток. [27] Молекулы, которые являются либо питательными веществами, либо сигналами, необходимыми для роста, переносятся пассивно или выборочно между растительными клетками через плазмодесмы. [27]
Простейшие экспрессируют множество молекул адгезии с различной специфичностью, которые связываются с углеводами, расположенными на поверхности клеток-хозяев. [28] Межклеточная адгезия является ключом к прикреплению патогенных простейших и проникновению в клетки-хозяева. Примером патогенного простейшего является малярийный паразит ( Plasmodium falciparum ), который использует одну молекулу адгезии, называемую белком циркумспорозоита , для связывания с клетками печени [29] и другую молекулу адгезии, называемую поверхностным белком мерозоита, для связывания эритроцитов . [30]
Патогенные грибы используют молекулы адгезии, присутствующие на клеточной стенке, для прикрепления либо посредством белок-белковых, либо белково-углеводных взаимодействий к клеткам-хозяевам [31] или фибронектинам во внеклеточном матриксе. [32]
У прокариотов на поверхности клеток имеются молекулы адгезии, называемые бактериальными адгезинами , помимо использования пилей ( бабочек ) и жгутиков для клеточной адгезии. [8] Прокариоты могут иметь один или несколько жгутиков, расположенных в одном или нескольких местах на поверхности клетки. Патогенные виды, такие как Escherichia coli и Vibrio cholera, обладают жгутиками, облегчающими адгезию. [33]
Адгезины могут распознавать различные лиганды, присутствующие на поверхности клеток-хозяев, а также компоненты внеклеточного матрикса. Эти молекулы также контролируют специфичность хозяина и регулируют тропизм (ткане- или клеточно-специфическое взаимодействие) посредством взаимодействия со своими лигандами. [34]
Вирусы также имеют молекулы адгезии, необходимые для связывания вируса с клетками-хозяевами. Например, вирус гриппа имеет на своей поверхности гемагглютинин , который необходим для распознавания сахара сиаловой кислоты на молекулах поверхности клетки-хозяина. [35] ВИЧ имеет молекулу адгезии, называемую gp120 , которая связывается со своим лигандом CD4 , который экспрессируется на лимфоцитах . [36] Вирусы также могут поражать компоненты клеточных соединений, чтобы проникнуть в клетки-хозяева, что и происходит, когда вирус гепатита С нацелен на окклюдины и клаудины в плотных соединениях, чтобы проникнуть в клетки печени. [9]
Дисфункция клеточной адгезии возникает при метастазировании рака . Потеря межклеточной адгезии в метастатических опухолевых клетках позволяет им покинуть место своего происхождения и распространиться по кровеносной системе. [5] Одним из примеров дерегуляции CAM при раке являются кадгерины, которые инактивируются либо генетическими мутациями, либо другими онкогенными сигнальными молекулами, что позволяет раковым клеткам мигрировать и быть более инвазивными. [6] Другие CAM, такие как селектины и интегрины, могут способствовать метастазированию, опосредуя межклеточные взаимодействия между мигрирующими метастатическими опухолевыми клетками в системе кровообращения с эндотелиальными клетками других отдаленных тканей. [37] Из-за связи между САМ и метастазами рака эти молекулы могут быть потенциальными терапевтическими мишенями для лечения рака.
Существуют также другие генетические заболевания человека, вызванные неспособностью экспрессировать специфические молекулы адгезии. Примером является дефицит адгезии лейкоцитов -I (LAD-I), при котором экспрессия субъединицы интегрина β снижается или теряется. [38] Это приводит к снижению экспрессии гетеродимеров интегрина β 2 , которые необходимы для прочного прикрепления лейкоцитов к эндотелиальной стенке в местах воспаления для борьбы с инфекциями. [39] Лейкоциты пациентов с LAD-I не способны прикрепляться к эндотелиальным клеткам, и у пациентов наблюдаются серьезные эпизоды инфекции , которые могут быть опасными для жизни.
Аутоиммунное заболевание, называемое пузырчаткой , также вызвано потерей клеточной адгезии, поскольку оно возникает в результате воздействия аутоантител на собственные десмосомальные кадгерины человека, что приводит к отслоению эпидермальных клеток друг от друга и образованию волдырей на коже. [40]
Патогенные микроорганизмы, включая бактерии, вирусы и простейшие, должны сначала прикрепиться к клеткам-хозяевам, чтобы заразить и вызвать заболевания. Антиспаечная терапия может использоваться для предотвращения инфекции путем воздействия молекул адгезии либо на патоген, либо на клетку-хозяина. [41] Помимо изменения выработки молекул адгезии, также можно использовать конкурентные ингибиторы, которые связываются с молекулами адгезии для предотвращения связывания между клетками, действуя как антиадгезивные агенты. [42]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )