Зміни в будові клітинної поверхні.

Однією з найважливіших проблем ембріології є з'ясування механіки процесів, в результаті яких з двох гамет формується морфологічно складний багатоклітинний організм. З генетичної точки зору цю проблему можна сформулювати по-іншому - яким чином закодована в ДНК однакова інформація реалізується в тривимірній структурі організму. Очевидно, що програма розвитку складається з двох взаємопов'язаних між собою процесів: диференціювання клітин і їх переміщення, визначеної просторової організації. Диференціація клітини неможлива без інформації про її місцерозташування, але і міграція клітин визначеним маршрутом, її припинення неможливі без певного рівня диференціювання.

Концепція позиційної інформації припускає, що клітина отримує інформацію про своє розташування, і саме ця інформація визначає детермінацію подальшого розвитку, тобто план, відповідно до якого диференціюється клітка. У процесі диференціювання клітина повідомляє аналогічну інформацію оточуючим її клітинам, забезпечуючи детермінацію морфогенетичного поля. З плином часу позиційна інформація змінюється, і доля кожної клітини детермінується не лише її місцем розташування, але і строком розвитку.

Якими ж морфологічними носіями представлена позиційна інформація і як клітина її сприймає? Так само як організм за допомогою органів чуття орієнтується в навколишньому світі, так і клітини за допомогою рецепторів взаємодіють або з речовинами, що знаходяться в міжклітинному просторі, або на поверхні сусідніх клітин. Інформацію про своє становище клітина отримує за допомогою певного набору рецепторів. Тісний зв'язок рецепторів клітинної мембрани з прилеглими до неї елементами цитоскелету забезпечує зміну форми клітини, її переміщення. Цитоскелет пов'язаний з білками ядерного матриксу, що забезпечує передачу інформації в ядро. Цитоплазматична частина рецепторних молекул пов'язана також і з вторинними посередниками (цАМФ, цГМФ, Са^{2 +}та ін.) Тому сигнал з рецепторів клітинної мембрани, в кінцевому рахунку, може змінити функціонування клітини або через систему вторинних посередників, або за допомогою зміни експресії генів, а також забезпечити початок реплікації або розмноження клітини. Результатом таких змін часто є зміна набору рецепторів на поверхні клітини, і вона стає компетентною до прийняття інших сигналів: з'являються нові можливості детермінації і диференціювання.

Взаємодія із сусідніми клітками або елементами міжклітинного матриксу забезпечується молекулами, об'єднаними в групу молекул клітинної адгезії (МКА, cell adhesion molecules - CAMs). При цьому клітинна адгезія не повинна розглядатися тільки як процес, за допомогою якого клітини механічно прикріплюються один до одного вбудованими молекулами, а як динамічний процес, де МКА беруть участь у процесах міжклітинної сигналізації. В даний час безперечною є роль МКА в запальних процесах (прилипання лейкоцитів і їх міграція через ендотелій), в процесі формування тромбу, пухлинного росту і пр. (2,3). Однак ці ж МКА забезпечують і процеси ембріонального розвитку, починаючи від взаємодії гамет і закінчуючи формуванням тканин і органів.

Формування тканин та органів обумовлено процесами, що відбуваються на поверхні сусідніх клітин. Клітинна поверхня включає: плазматичну мембрану клітини, молекули, які розташовані безпосередньо під нею і зв’язані з нею, та молекули, що знаходяться в позаклітинному просторі. Мікрофіламенти та мікротрубочки знаходяться в контакті з плазматичною мембраною та контролюють рух мембранних білків. Мікрофіламенти відіграють важливу роль в русі клітин. Так, актинові мікрофіламенти зв’язуються з міозином, ά-актином і тропоміозином, утворюючи скоротливу сітку, подібну до структури в мязах. Ця сітка заякорена в мембрані білком таліном,який з’єднуємікрофіламенти з білком клітинної мембрани. У більшості клітин хребетних ця сітка забезпечує механізм подовження та міграції клітин.

Клітинна мембрана містить білки, здатні взаємодіяти з зовнішнім середовищем. Деякі білки мають активні ділянки, спрямовані назовні до інших клітин. Це транспортні білки, які полегшують рух іонів в клітину; рецепторні білки – зв’язують гормони та лікарські препарати. Молекули клітинної адгезії – приймають участь в адгезії клітина-клітина. Можуть об’єднувати клітини в епітеліальні шари і конденсувати мезенхимні клітини. Молекули адгезії клітин до субстрату приймають участь в зв’язуванні клітин з їх позаклітинним субстратом. До них відносяться компоненти позаклітинного матриксу та рецептори до цих молекул на поверхні клітин. Молекули адгезії до субстрату обумовлюють рух мезенхімних клітин і просторове розділення епітеліальних шарів. Молекули клітинних контактівзабезпечують комунікацію цитоплазми сусідніх клітин, а також забезпечують непроникливість і механічну міцність епітеліальним шарам. Експресія цих молекул клітинної поверхні опосередкує зв'язок між одномірним генетичним кодом і трьохмірним організмом. Модулюючи появу цих молекул, геном таким чином детермінує процес морфогенезу.

Експресія різни компонентів мембрани міняється в часі і в просторі. Клітини різних типів характеризуються різними компонентами клітинної поверхні, останні змінюються в процесі розвитку клітин. Ці таниноспецифічні мембранні компоненти називають антигенами диференціювання, оскільки останні часто виявляють за допомогою антисироваток. Моноклональні антитіла проти специфічних клітинних типів дозволили виявити багаточисельні антигени диференціювання, які з’являються в процесі розвитку в різних місцях і в різний час. На рис. 15.22. представленні різні молекули клітинної поверхні в просторово розмежованих шарах нейральної сітківки курчати, який щойно вилупився. Кожне з моноклональних антитіл впізнає різні молекули клітинної мембрани. Як видно з цієї фотографії, мембрани всіх клітин нейральної сітківки неоднакові. Відрізнятись можуть навіть різні ділянки мембрани однієї й тієї клітини (мембрана аксона та тіла нейрона містять різні молекули).

Отже поверхневі мембрани клітин різних типів містять різні молекули і ці молекули можуть змінюватись в процесі дозрівання даної клітини.

Отже, вже починаючи зі специфікації стовбурової клітини, раннього ембріогенезу та більш пізнього морфогенезу і органогенезу, міжклітинні адгезивні контакти залучені у процеси диференціювання, формування тканини, тощо. Вперше МКА були виділені в 70-х рр.. минулого сторіччя (1). До теперішнього часу число відомих МКА достатньо велике, і на думку більшості авторів, кількість і значення вивчених МКА мізерно мало в порівнянні з невивченими. Тим не менше їх можна розділити на п'ять родин структурно і функціонально споріднених молекул (8):

• кадгеріни;

• селектіни;

• інтегринів;

• іммуноглобулінове суперсімейство;

• муцини (сахариди-опосередковані МКА)

Інтегрини – гетеродимери, що зв’язуються з різними рецепторами; кадгерини– їх адгезинові властивості залежать від іонів кальція та характеризуються гомофільним типом взаємодії; суперродина IgG –імуноглобулінове надсімейство МКА, у якому домени, що звязують клітини, подібні до доменів молекул антитіл, одна частина з який зв’язується гетерофільно, інша – гомофільно; селектини – вуглеводні МКА, у яких МКА-білки впізнають вуглеводні залишки на сусідніх клітинах, мають подібні до лектинів домени, які зв’язують вуглеводи; муцини (сахариди-опосередковані МКА)

Всі МКА мають 3 ділянки: позаклітинну, трансмембранну, внутрішньоклітинну (цитоплазматичну). Позаклітинна ділянка відповідальназа зв'язок з лігандами. У багатьох випадках окрема молекула здатна взаємодіяти не з одним, а з декількома лігандами, для чого служать різні ділянки зв'язування. Трансмембранна ділянка забезпечує фіксацію молекули в мембрані, її латеральну рухливість. Внутрішньоклітинна ділянку пов'язаний з елементами цитоскелета або вторинними посередниками, тому з її допомогою отримана ззовні інформація реалізується у внутрішньоклітинні процеси: зміна форми, переміщення, активізацію синтетичних процесів, розподіл.

Інтегрини – це сімейство трансмембранних глікопротеїнів – рецепторів, які складаються з альфа- та бета-субодиниць, можуть між собою нековалентно зв’язуватись в різних поєднаннях, при цьому формуючи більше 20 типів інтегринів. У ссавців відомо 19 альфа та 8 бета субодиниць. Альтернативний сплайсинг породжує додаткові варіанти субодиниць, збільшуючи різноманітність комбінацій. Молекулярна вага субодиниць варіює від 90 до 160 кДа. У людини описано 18 альфа та 8 бета субодиниць, при цьому кожна альфа субодиниця утворює комплекс з певним набором бета-одиниць. Інтегрини знайдені у багатьох видів, в тому числі у нижчих еукаріот: губок, нематоди Caenorhabditis elegans (2 альфа та 1 бета), у дрозофіли (5 альфа та 1 бета). Гетеродимери можуть зберігатись в цитоплазматичних пухирцях або експресуватись як трансмембранні рецептори клітинної поверхні. Інтегриновий рецептор має довгий N-кінцевий позаклітинний трансмембранний домен та дуже короткий C-кінцевий цитоплазматичний домен.(рис.) Різні поєднання альфа- та бета-субодиниць визначають специфічність зв’язування позаклітинного домена рецептора з тим чи іншим лігандом. Для інтегринів лігандами частіше за все є різні білки позаклітинного матриксу: колагени, ламінін, фібронектин та інші. Тому, інтегринові рецептори відіграють головну роль в контактній взаємодії клітин з позаклітинним матриксом. Інтегрини приймають участь в передачі інформації з позаклітинного середовища до клітини, визначаючи таким чином напрямок диференціювання клітини, форму, мітотичну активність, здатність до міграції. Передача інформації може відбуватись і в зворотньому напрямку – від внутрішньоклітинних білків через рецептор до позаклітинного матриксу.

В залежності від типу ланцюга, що входить до складу молекули виділяють три родини інтегринів. Бета1-інтегрини забезпечують зв’язок клітин з позаклітинним матриксом, зв’язуючись з глікопротеїновими компонентами (фібронектином, ламініном та вітронектином). Бета2-інтегрини приймають участь в адгезії лейкоцитів до клітин ендотелію. Для того, щоб мігрувати до місця інфекції та запалення, лейкоцити повинні вступати у взаємодію з ендотеліальними клітинам судин. Ця взаємодія може опосередковувати зв’язування Т-лімфоцитів з фібробластами при запаленні. Бета3-інтегрини обумовлюють взаємодію тромбоцитів та нейтрофілів. Приймають участь в агрегації тромбоцитів, яка відбувається при зсіданні крові.

Більшість інтегрованих рецепторів може зв’язуватись з декількома лігандами. Наприклад, інтегрин альфа2бета1звязується з ламініном і колагенами I і IV типів, інтегрин альфа3бета1 – з фібронектином, ламініном та колагеном І типу тощо. Деякі інтегрини зв’язуються лише з одним лігандом: наприклад інтегрин альфа5бета1 – тільки з фібронектином, а інтегрин альфа6бета 1 – з ламініном.

Індивідуальність інтегринів строго специфічна. Центр зв'язування інтегринів утворений позаклітинними доменами α-і β-субодиниць. Інтегріни дізнаються і зв'язуються з білками, що містять певну амінокислотну послідовність -Арг-Глі-Асп-, присутню в ряді матриксних білків (фібронектину, фібриноген, ламінін, колаген I типу та інші).

Добре вивчена роль інтегринів, перш за все, в процесах ембріональної міграції та формування полудесмосом в епітеліальних шарі. Характерним для інтегринів є той факт, що один і той же рецептор може слабо зв'язуватися з різними, але подібними молекулами ліганду або володіти різним спорідненістю до одного і того ж лігандами. В одних випадках перевагу тому чи іншому субстрату або міцність зв'язування з ним пояснюється наявністю певних іонів (ефект зв'язування посилюється в присутності іонів Са^{2 +}та Mg^{2 +}), в інших - внутрішньоклітиннтм вмістом (типом клітини).

Кадгеріни і селектини - сімейства трансмембранних Са^2+-залежних глікопротеїнів, що беруть участь в міжклітинної адгезії. Три можливі способи участі рецепторів цього типу в міжклітинній адгезії представлені на рис. 5-27.

Білки кадгеринокатенінового комплексу є найважливішим і найпоширенішим типом міжклітинної адгезії, і називаються адгериновими сполуками. Вони відіграють принципове значення у підтриманні адгезивних контактів на рівні клітина-клітина, у транзиції епітелію у мезинхиму та навпаки, що принципово для підтримання пластичності тканини у період ембіронального розвитку. Деякі компоненти кадгеринокатетінового комплексу залучені до активації та функціонування кількох основних сигнально-регуляторних шляхів клітини, що контролюють клітинний поділ, процес диференціювання та апоптоз. Все це свідчить про важливість адгезивних комплексів не лише у підтриманні гомеостазу тканини та її функціонуванні, а й у процесі розвитку.

Кадерини були описані та охарактеризовані близько 33 років тому двома незалежними групами вчених, які досліджували механізми міжклітинної адгезії при ранньому морфогенезі. На теперішній час у людини відомо вже більше 30 білків – членів родини кадгеринів, але функція деяких з них й досі невідома. У більшості типів клітин кадгерини сконцентровані в місцях міжклітинних контактів, де утворюють так звані адгеринові з’єднання. Класичні кадгерини – це трансмембранні білки, чия адгезивна активність регулюється цитоплазматичними партнерами, катенінами (рис.1ст). (Кадгерин – трансмембранний білок, екстрацелюлярний домен якого складається з п’яти кадеринових повторів, ЕС-1-ЕС5. Цитоплазматичний хвіст білка зв’язується з β-катеніном, який у свою чергу взаємодіє з α-катеніном, формуючи стабільний білковий комплекс. α-катенін забезпечує зв’язок з актиновим цитоскелетом. α-катенін має сайт для зв’язування з плакоглобіном та β-катеніном, який складається з 228 амінокислотних залишків, 23 з них необхідні для гідрофобної взаємодії або тільки з плакоглобіном, або лише з β-катеніном.)

Переважна більшість клітин організму експресують молекули кадгеріна, спочатку названі за типом тканини, в якій вперше були виявлені. Найбільш поширеними є:

o Е-кадгерін - епітеліальні клітини, яєчники, плацента, нирки;

o N-кадгерін - нерви, м'язи, клітини селезінки;

o Р-кадгерін - плацента, епідерміс;

o R-кадгерін - сітківка;

o десмоглеіни, десмоколліни - кардіоміоцити, епітеліальні клітини.

Е-кадгерін експресується всіма ембріональними клітинами ссавців, починаючи з одноклітинної стадії, і впродовж усього розвитку необхідний для розпізнавання і сортування клітин. Поділ і диференціювання тканин в процесі ембріогенезу пов'язано з диференціальної експресією різних генів кадгеріна. Так, в ході гаструляції клітини, що формують мезодерму, втрачають Е-кадгерін і починають експресувати N-кадгерін. Відзначено також, що при міграції клітини втрачають кадгеріновие молекули, але при реагрегаціі знову відновлюють їх експресію на своїй поверхні. Прикладами можуть служити зникнення і поява N-кадгеріна при міграції та реагрегаціі клітин нервового гребеня, при роз'єднанні сомітов і утворенні нових структур (1).

Більшість видів клітин експресують декілька типів кадгеринів, зокрема, скелетні м’язи експресують R-, M- та N- кадгерини. На противагу скелетним, у серцевому м’язі експресується лише один класичний кадгерин – N-кадгерин. N-кадерин експресується на високому рівні як в ембріональному, так і в дорослому міокарді, де він локалізується в інтеркалярних дисках та у місцях тісного контакту сусідніх карідоміоцитів. У тканині міокарді N-кадерин не тільки виконує важливу функцію у формуванні адгеринових сполук, але й бере участь у стабілізаціх та функціонування gap-з’єднань. Для кадеринів характерний гомофільний тип взаємодії, отже кадгерини своїм екстрацелюлярним доменом взаємодіють з іншими кадгеринами того ж типу, нагадуючи свою взаємодію „блискавку”. Внутршньоклітинний домен класичних кадгеринів має сайти зв’язування з катенінами (рис.1.ст1), які забезпечують зв’язок кадеринів та актинового цитоскелету клітини. На сьогодні ідентифіковано та досліджено два α-катеніни, один β-катенін, один плакоглобін та один білок, асоційований з класичним кадерин-катеніновим комплексом у деяких типах клітин – p 120^ctn.

Кадгерини різних тканин дуже схожі, гомологічні амінокислотні послідовності складають 50-60 %. Кожний рецептор містить один трансмембранний домен. При відсутності іонів кальцію конформація кадгеринів змінюється, і вони стають доступні для протеолітичних ферментів, які їх розщеплюють. Найбільш повно охарактеризовано 3 групи кадгеринових рецепторів: Е-кадгерин знаходиться на поверхні багатьох клітин епітеліальних та ембріональних тканин; N-кадгерин локализован на поверхні нервових клітин, клітин серця та кришталика; Р-кадгерин розсташован на клітинах плаценти та епідерміса. Отже кадгерини відіграють важливу роль при початковій міжклітинній адгезії, на стадіях морфо- та органогенезу. Вони забезпечують структурну цілісність та полярність тканин, особливо епітеліального моно шару.

Селектіни класифікуються за назвами клітин, в яких вони вперше були виявлені:

o L-селектин - лейкоцитарний;

o Е-селектин - ендотеліальний;

o Р-селектин - тромбоцитарний (виявлений і в ендотелії).

У сімействі селектінових рецепторів найбільш добре вивчені три білка: L-селектин, Р-селектин і Е-селектин. Позаклітинна частина селектину складається з 3 доменів: перший домен представлений 2-9 блоками амінокислотних залишків, що повторюються (комплементрегуляторний білок), другий - домен епідермального фактора росту (ЕФР), третій - N-кінцевий лектиновий домен (рис. 5-28). Селектіни L, Р, Е розрізняються кількістю блоків в комплементрегуляторном білку. Лектини - сімейство білків, що специфічно взаємодіють з певними послідовностями вуглеводних залишків у складі глікопротеїнів, протеогліканів і гліколіпідів позаклітинного матриксу.

Доведена роль, яку відіграють селектіни в процесах міграції лейкоцитів із судинного русла, описані їх глікопротеїнові ліганди (адрессіни) на поверхні лейкоцитів, тромбоцитів, нейтрофілів та ендотеліальних клітин. Селектину, як і іншим МКА, які беруть участь у подібних процесах, присвоюються інші (синонімічні) назви. Наприклад, окремим селектину відповідають номери кластерів диференціювання. До селектину відноситься, наприклад, CD43.

Разом з тим, важлива роль відводиться селектину в ранньому ембріогенезі. L-селектин виявлений на поверхні зрілого овоцита, в процесі дроблення зникає і знову експресується на клітинах бластоцисти напередодні імплантації; в той же час олігосахарідние ліганди виявлені на мембранах епітелію ендометрію і зберігаються там протягом періоду можливої імплантації (20-24 добу статевого циклу). Р-селектіни виявлені на поверхні гамет, і ініціація взаємодії прозорої оболонки і поверхні сперматозоїда з подальшою акросомальная реакція є селектин-опосередкованим взаємодією (4): рецептор-фермент глікозилтрансфераз на поверхні сперматозоїда розпізнає N-ацетилглюкозамін в складі прозорої оболонки овоцита і т.д.

Вуглеводні структури - полівалентні лінкерні молекули, які можуть бути сульфатовані, фукозілізовані і сіалізовані, тобто можуть містити залишки сірчаної кислоти, фукози і сіалової кислоти. Зв'язування лігандів з рецепторами відбувається в області N-кінцевого лектинового домену.

(рис.15.35).

Молекули кальцій-незалежної клітинної адгезії (МКА) (імуноглобулін-подібні). Молекули, відповідальні за кальцій-незалежну міжклітинну адгезію, належать в основному до великого суперсемейства імуноглобулінів - білків, які так назвали, бо вони містять один або більше іммуноглобулінових доменів, характерних для молекул антитіл.

Це Са²⁺незалежні молекули клітинної адгезії нервових клітин хребетних. Вони "склеюють" дані клітини шляхом безпосередньої гомофільної взаємодії двох молекул і можуть брати участь у впізнавання клітинної поверхні.

У хребетних відомо кілька груп такого роду білків. У більшості форм білків цього сімейства позаклітинна частина поліпептидного ланцюга має структуру, схожу з організацією доменів імуноглобулінів. (рис. 15.27)Це нейтральні МКА (N-МКА), (білок Drosophila фасцілін II). Фасцілін II має загального предка з N-МКА групою, нейрогліан гомологічний L1 групі, експресується в основному групою відростків нервових клітин; за відсутності експресії фасціліна II деякі відростки не прикріплюються один до одного, і не відбувається утворення пучка, хоча загальна структура нервової системи залишається нормальною. Ці дані припускають, що імуноглобуліноподібна МКА беруть більшу участь в регуляції або тонкому налаштуванні адгезивних взаємодій, ніж в утриманні клітин разом (ця функція належить кальцій-залежним молекулам - кадгеринам).

Деякі імуноглобуліноподібні МКА зв'язують клітини разом за допомогою гетерофільного механізму: intercellular adhesion molecules (ICAM) експресуються на поверхні активованих ендотеліальних клітин, де вони зв'язуються з інтегринами на поверхні білих кров'яних клітин і, таким чином, допомагають захоплювати білі кров'яні клітини в місцях запалення.

Ці молекули обумовлюють як розпізнавання антигенів, так і міжклітинні взаємодії.

N-МКА в залежності від вмісту в них залишків сіалової кислоти можуть виконувати різні функції. (Сіалова кислота – складний 10-вуглецевий сахарид, що утворюється при взаємодії D-манози з піруватом, несе від’ємний заряд.) Сіалові кислоти здатні різко зменшувати адгезивність клітин по відношенню один до одного. Клітини, з відносно низьким вмістом сіалової кислоти на своїх N-МКА агрегують в 4 рази легше, ніж клітини з високим рівнем сіалової кислоти (рис.15.28). З розвитком зародка більша частина білків N-МКА із форм з високим вмістом сіалової кислоти перетворюється в форми з її низьким вмістом.

Морфогенетичні процеси міжклітинної взаємодії обумовлені комбінаціями МКА.

Просторово-часовий розподіл МКА дослідили з використанням флуоресцюючих антитіл. Так, у зародка курчати на початку гаструляції N-МКА та L-МКА експресуються на всіх клітинах. Проте, при індукції нервової пластинки відбуваються різкі зміни. Клітини нервової пластини експресують N-МКА, а оточуючі клітини ектодерми – тільки L-МКА (рис.15.29). В подальшому розвитку відбувається модуляція цих молекул в зв’язку з індукцією та реорганізацією тканин. Так, клітини нервового гребня які на початку містили на своїй поверхні N-МКА, при переході до міграції втрачають N-МКА і потім знову їх експресують при формуванні гангліїв. Після того, як нейральна індукція відбудеться і на нейральних похідних експресія L-МКА зменшиться, на клітинах нервової трубки з’являються N-МКА, а інша молекула адгезії Ng-МКА експресується в достатній кількості на нейронах, міграція яких спрямовується по поверхні глії.

Диференційна експресія МКА важлива на межі між двома групами клітин. В цих місцях організм розподіляє клітини по різним областям. Клітини хорди не входять до складу нервової трубки, а клітини дерми не проникають в епідерміс. Така сегрегація супроводжується експресією різних МКА клітинами сусідніх клітинних популяцій. Отже, МКА можуть створювати та підтримувати кордони між клітинами різних типів, вони можуть слугувати і для об’єднання клітин різних типів. Особливо важлива ця функція при встановленні зв’язку аксону з відповідним органом-мішенню. При цьому також використовуються N-МКА. Виявлено, що м’язові клітини починають експресувати на своїх мембранах N-МКА під час появи біля них аксону, що несу N-МКА. Як тільки між нервом та м’язом утвориться синапс, єдиним місцем де продовжиться експресія N-МКА, залишиться синапс. Якщо на специфічні ділянки зародку подіяти антитілами проти N-МКА, то зв'язок між нейроном та його тканиною-мішенню буде порушено. Деякі МКА розповсюджені в зародку практично кругом, інші тільки в певному місці. Ці останні МКА експресуються протягом обмеженого часу і в дуже специфічних ділянках зародка. Деякі з МКА обумовлюють міграцію аксонів в одному й тому ж напрямку для спільного об’єднання та утворення нерву.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
	\|	Клітинна адгезія обумовлена сахаридами.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.009 сек.