Basallamina

Zell-Adhäsion
&
Extrazelluläre Matrix
Kapitel 19
1164 – 1202
Christian Knapp
2008
1 / 70
Extrazelluläre Matrix (ECM)
Netz aus Proteinen und Polysacchariden
außerhalb der Zellen
kann Haupdeterminante der physikalischen
Eigenschaften von Gewebe sein;
z.B. Knochen, Haut, Knorpel, Glaskörper
entwicklungsgeschichtlich älteste ECM ist
die Basallamina
2 / 70
Drei Arten der
zellbezogen
Organisation der
Basallamina
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Basallamina (BL)
„zweidimensionale“ Schicht
hauptsächlich aus Glykoproteinen
40-120 nm dick
kann Metabolismus, Wachstum, Differenzierung von
Zellen beeinflussen
manche Zelle leiten Apoptose ein, sofern kein Kontakt
zur BL besteht = „Anchorage Dependence“
(gilt für die ECM allgemein)
4 / 70
Basallamina von Epithelzellen
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
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Zusammensetzung der BL
gewebsspezfisch
typische Komponenten in allen BL
Glycoproteine:
Laminin, Typ 4 Collagen, Nidogen
Proteoglykan:
Perlecan
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Hauptbestandteile der extrazellulären
Matrix im Vergleich
Protein in grün
Glycosaminoglycan in pink
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Basallamina
Anordnung und Bindungsverhältnisse der Komponenten
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Laminin
Das Verbindungsstück
zwischen Integrinen und
Basallamina
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Laminin
Organisator der BL
über Disulfidbrücken verbundes Heterotrimer
zahlreiche unterschiedliche Monomere
(jeweils ca. 1500 AS)
gewebsspezifische Kombinationen
zahlreiche Bindungsdomänen für ECM-Komponenten
und Rezeptoren (z.B. Integrine)
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weitere BL-Komponenten
Typ 4 Collagen gibt Zugfestigkeit
Perlecan & Nidogen vernetzen BL-Komponenten
bei Formen der Epidermolyse „Schmetterlingskrankheit“
sind BL-Komponenten defekt
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Basallamina
Anordnung und Bindungsverhältnisse der Komponenten
12 / 70
Neuromuscular Junction
Die Basallamina lotst die Regeneration nach
Zerstörung
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Integrin
dynamische Verbindung zwischen extrazellulärer Matrix und
Cytoskelett
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Integrine
Zelloberflächenrezeptoren (neben Dystroglykan)
für zahlreiche ECM-Komponenten oder
Zelloberflächenproteine anderer Zellen
(nicht nur für BL)
nonkovalentes Dimer
Monomere sind Transmembran-Glykoproteine
unterschiedliche Alpha- & Beta-Ketten
24 Kombinationen im Menschen nachgewiesen
23 binden an Actinskelett,
eines bindet an Keratin in Hemidesmosomen
15 / 70
Integrin
Rezeptor und dynamischer Anker
Aktivierung sowohl von Innen als auch von Außen
möglich
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Integrin
kann somit mechanische Signale in beide Richtungen
leiten
Aktivitätszustände basieren auf einer Art allosterischer
Regulation
Talin-Bindungsstelle auf Beta-Kette wird bei
Aktivierung/Entfaltung frei,
Talin kann auch mit Alpha-Kette um Bindungsstelle
konkurrieren
17 / 70
Signalpathway aktiviert Integrin
Rezeptoren aktivieren Talin
Talin aktiviert Integrin
18 / 70
Signalpathway aktiviert Integrin
somit können auch molekular Signale in mechanische
Umgewandelt werden
oder umgekehrt
Zelle kann Anhaftung schnell regulieren
z.B. Blutplättchen bei der Gerinnung
(Form der Gerinnungsstörung, wenn Integrin defekt)
Leukozyten bei der Anhaftung an Blutgefäße
(bei „leucocyt adhesion deficiency“ Integrin defekt)
Lymphozyten bei der Bindung an APC
19 / 70
Lymphozyt bindet APC über Integrin
erster Kontakt über Integrin
Bindung von T-Zell-Rezeptor an MHC gibt Signal zur
Stabilisierung von Integrin-ICAM-Bindung
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Hemidesmosom
verankert Epithelzellen in der Basallamina
Achtung ! Keratinfilamente
Defekt in einer der Komponenten führt zu Epidermolyse
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Fokale Adhäsion
Integrine haben schwache Affinität zu Liganden
wird kompensiert hohe Konzentration von Integrinen
Ansammlungen von Integrin-Actinskelett-Komplexen
sind „focal adhesions“
für Verankerung in ECM bzw. Substraten
mit Keratinskelett sind es Hemidesmosome
für Verankerung von Epithelzellen in der BL
22 / 70
Fokale Adhäsion
&
Focal Adhesion Kinase
FAK verringert die Bindung der
Focal Adhesions
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Focal Adhesion Kinase
rekrutiert durch Talin
phosphoryliert sich selbst, bietet Bindungsstellen für
weitere Signalproteine
Art der Umwandlung mechanischer in molekulare
Signale
Bindungen der Integrine an ECM werden verringert
bzw. dynamischer
Manche Krebszellen exprimieren vermehrt FAK, führt zu
mehr Migration
24 / 70
manche Signale durch Integrine aufgenommen, werden
nur lokal weitergeleitet
z.B. für Actinpolymerisierung durch Rho-GTPasen
Bsp.:
während Wachstums eines Axons reagiert Spitze auf
Attractants und Repellents in ECM, beeinflusst
Wachstumsrichtung dementsprechend
25 / 70
Ausbreitungsabhängige Apoptose
Zelle bindet mit Integrinen an Fibronectin auf Substrat
nur wenn Bindungsstellen vorhanden und „verstreut“
sind leitet die Zelle die Apoptose nicht ein
ist in vivo Schutzmechanismus
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Extrazelluläre Matrix des
Bindegewebes
27 / 70
Collagen und Fibroblasten der ECM
im Rasterelektronenmikroskop
andere Komponenten wurden Enzymatisch verdaut
28 / 70
Collagen und Fibroblasten der ECM
die ECM wird hauptsächlich von Fibroblasten aufgebaut
Knochen von Osteoplasten, Knorpel von Chondroblasten
Grundsubstanz bilden Glycosaminoglykane (GAG),
entweder frei als Hyaluronan oder gebunden als
Proteoglykane
gegen Druckbelastung
eingelagert sind v.a. fibrilläre Proteine
v.a. fibrillenbildendes Collagen Typ 1
gegen Zugbelastung
29 / 70
Hyaluronan
bzw. Hyaluronsäure
aus bis zu 25.000 Disacchariden
zieht Kationen an, hochgradig hydratisiert
faltet sich nicht kompakt, nimmt daher
großes Volumen ein
30 / 70
Hyaluronan
einziges Glucosaminoglycan ohne Sulfatgruppen und
nicht an Protein gebunden
besteht aus bis zu 25.000 Disacchariden
zieht Kationen an, liegt hochgradig hydratisiert vor
behindert Diffusion im allgemeinen nicht (gilt auch für
Proteoglykane)
wird durch Komplex in der Membran direkt aus Zelle
heraussynthetisiert
31 / 70
Proteoglykane
sind Proteine mit gebundenen GAG-Ketten
sehr heterogen
Kernprotein durch Ribosome ins ER synthetisiert, dort
und im Golgi-Apparat werden GAG-Ketten angebaut,
danach sekretiert
GAG-Ketten aus Disacchariden aus Aminozucker und
Glucuronsäure, tragen oft Sulfatgruppen
ebenfalls negativ geladen, hochgrad hydratisiert
32 / 70
Proteoglykane im Vergleich
und ein Glykoprotein
Protein in grün Glycosaminoglycan in pink
Decorin vermittelt Bildung von Collagenfibrillen,
hat nur eine GAG-Kette
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Aggrecan
besteht aus ca. 130 GAGSulfat-Ketten
das Core-Protein besteht aus
ca. 3000 AS
ist der Hauptbestandteil der
ECM von Knorpel
bildet mit Hyaluronan
Aggregate
34 / 70
Aggrecan-Hyaluronan-Aggregate
100 Aggrecan-Moleküle binden 1 Molekül Hyaluronan nonkovalent
Masse ca. 100 MDa (10^8 Da)
Volumen entspricht Bakterium
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Proteoglykane
können Aktionsradius, Lebenszeit und Aktivität von
Signalmolekülen/Proteasen etc. beeinflussen, durch
Bindung oder Monomerisierung
Bsp.:
Chemokine werden an Blutgefäßwand immobilisiert, um
Leukozyten anzulocken
Proteoglykane wirken als Corezeptoren, indem sie
Liganden binden und Rezeptoren präsentieren
36 / 70
Collagenfibrille eingebettet in
Glycosaminoglykan
Diffuses Netzwerk aus Proteoglykanen und Hyaluron
dunkle Bereiche/Punkte sind Coreproteine
37 / 70
Collagen
rund 25% der Proteinmasse in Säugern
v.a. in Haut und Knochen
fibrilläres Protein mit Seilstruktur
lang und unflexibel
zahlreiche Isoformen
Gene enthalten zahlreiche repetitive Abschnitte
Typ 1 Collagen am häufigsten
38 / 70
Struktur eines
Collagen-Moleküls
Triple-Helix aus jeweils
1000 Aminosäuren
!keine Alpha-Helix!
Jede 3. AS ist Glycin, da
Rest ins Innere der
Triplehelix ragt.
Die anderen AS sind
meistens Prolin und
Hydroxyprolin.
39 / 70
Fibroblast umgeben von
Collagenfasern
Collagen wird u.a. von Fibroblasten in einem
vergrößerten ER synthetisiert.
40 / 70
Synthese von
Procollagen
41 / 70
von Procollagen zur
Collagenfaser
42 / 70
Procollagen
Pro-Alpha-Ketten werden einzeln mit Propeptiden
synthetisiert. Durch Propeptide wird das Molekül löslich,
außerdem leiten sie Modifikationen im ER/Golgi.
Nach Sekretion werden Propeptide durch extrazelluläre
proteolytische Enzyme abgespalten. Collagen wird
dadurch unlöslich und lagert sich zu Fibrillen
zusammen.
inter- & intramolekulare Lysin-Crosslinks zwischen
Ketten und Collagenen werden gebildet.
Besonders viele Crosslinks in Achillessehne
43 / 70
Hydroxylierung von Prolin
unter Mangel an Ascorbinsäure (Vitamin C) kann Prolin
nicht hydroxyliert werden
dadurch lagern sich Pro-Alpha-Ketten nicht stabil
aneinander und werden noch in Zelle abgebaut.
Also kein neues Collagen produziert.
Collagen in ECM unterliegt jedoch Turnover.
Körper verliert somit Collagen, die Haut wird fragil,
Zähne werden locker.
Vitamin C Mangelerkrankung heißt Skorbut
44 / 70
fibrillenbindendes
Collagen
vermittelt
Fibrillenorganisation
nonhelicale Bereiche
knicken das Molekül
45 / 70
Organisation von Collagenfibrillen
im Knochen und in der Haut
46 / 70
Ausrichtung der Fibrillen
ist gewebsspezifisch
Cytoskelett kann Ausrichtung der Fibrillen während
Sekretion und in Membrantaschen regulieren
andere ECM-Komponenten können gewisse
Ausrichtungen unterstützen.
oder durch „Ziehen“ im nachhinein
47 / 70
Fibroblasten reorganisieren
Collagen-Gel
Stücke embryonischen Gewebes auf Substrat mit
Collagen-Gel kultiviert.
Fibroblasten organisieren Collagen zu
Collagenfasern
Annahme:
In vivo sekretieren
Fibroblasten erst
Collagen und
reorganisieren es
danach
48 / 70
Elastin-Fasern
aus Elastin; sehr
hydrophobes ca. 750 AS
Protein, reich an Prolin und
Glycin,
hat einen „random coil“Bereich, der für Elastizität
verantwortlich ist
Collagen-ähnliche Synthese,
Precursor ist hydrophiles
Tropoelastin,
wird nach Sekretion
quervernetzt.
49 / 70
Elastin ist Hauptbestandteil der Aorta
ca. 50% der Trockenmasse
Während Entwicklung wird Elastin u.a. von Fibrillin
organisiert. Defekt führt zu Marfan‘s Syndrom
50 / 70
Fibronectin
Disulfidbrücken verbinden Dimer, unterschiedliche
Monomere durch alternatives Splicing,
Domänen binden unterschiedliche Liganden,
Typ III Domäne mit RGD-Sequenz für Bindung an Integrin
51 / 70
Fibronectin Typ III Domäne
unter Zugbelastung wird eine verborgene Binding-Site
frei. Diese bindet darauf weitere Fibronectin-Moleküle.
Es bilden sich kovalent verbundene FibronectinFibrillen, aber nur dort, wo gebraucht.
52 / 70
Fibronectin-Fibrillen an der
Zelloberfläche
Fibronectin liegt löslich
als Monomer z.B. im
Blut vor, oder als
unlösliche Fibrillen an
Zelloberflächen
53 / 70
RGD-Motiv
Argenin-Glycin-Aspartat ist eine Peptidsequenz die
durch einige Integrine gebunden wird.
Fibronectin Typ 3 Domäne hat RGD-Motiv
auch zahlreiche andere ECM-Proteine
z.B. Gerinnungsfaktoren
Substrate mit Peptiden mit RGD-Motiv können von
Zellen gebunden werden
54 / 70
Abbau von extrazellulärer Matrix
notwenig für Wachstum und Migration von Zellen
sowie Remodellierung und Turnover
Proteasen verdauen ECM-Proteine
Metalloproteasen oder Serinproteasen
manche Proteasen sind spezifisch z.B. Collagenasen,
Gesamtgerüst wird nicht gefährdet
unspezifische Proteasen müssen kontrolliert werden;
55 / 70
Kontrolle unspezifischer Proteasen
viele unspezifische Proteasen werden als inaktive
Precurser sekretiert, dann durch weitere AktivatorProteasen geschnitten und aktiviert
z.B.
Plasminogen ist Precursor von Plasmin
Plasmin löst Thromben
wird durch freie Plasminogen-Aktivatoren geschnitten,
die lokal sekretiert werden
56 / 70
Kontrolle unspezifischer Proteasen
Plasminogen kann auch durch rezeptorgebundene
Aktivatoren aktiviert werden.
z.B. von Axonen während des Wachstums oder
Krebszellen
57 / 70
Kontrolle unspezifischer Proteasen
weitere Möglichkeiten
Sekretion von Inhibitoren, um ECM lokal zu schützen
Eingrenzung des Wirkungsradius durch Verankerung in
der Membran
58 / 70
Pflanzliche Zellwände
ECM bei Pflanzen
pflanzliche Zellen haben (im allgemeinen) eine starre
Zellwand, sie migrieren nicht
Zellen haben ihren Ursprung in Meristemen,
während Wachstums ist Zellwand flexibel, die
Primärwand
danach wird verdickt und gehärtet, u.a. durch
Einlagerung von Lignin, einem netzwerkartigen Polymer
aus Phenolderivaten
59 / 70
Anordnung pflanzlicher Zellen und
Zellwand
dünne Zellwand, da noch im Wachstum
60 / 70
Die Zelle bestimmt ihre Form durch
die Zellwand
A. schützendes Trichom, einer einzelne Zelle
B. Oberfläche eines Blatts, Zellen ineinander verhakt
C. Xylem-Kanäle für Wassertransport
61 / 70
Zusammensetzung
nach dem gleichen Grundprinzip wie tierische ECM
hochgradig hydratisierte Grundsubstanz gegen
Druckbelastungen:
Pektin
lange fibrilläre Komplexe gegen Zugbelastungen:
Cellulose
Pflanzliche Zellwände bestehen hauptsächlich aus
Kohlenhydraten und enthalten keinen/kaum Stickstoff
die Zellwand muss teilweise einem Turgordruck
standhalten, der 10 Atmosphären (5x Reifendruck)
entspricht
62 / 70
Pektin
verzweigtes Polysaccharid
hauptsächlich aus Galacturonsäure
negativ geladen, zieht Kationen (Calcium) an,
hochgradig hydratisiert
in Marmelade ;)
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Cellulose
unverzweigtes Polysaccharid aus mehr als 500
Einheiten Glucose über Beta1-4 Verknüpfungen
ca. 40 Moleküle Cellulose bilden über
Wasserstoffbrücken Mikrofibrillen,
die mehrere Mikrometer
lang werden können
64 / 70
Primäre Zellwand
Mikrofibrillen liegen schichtweise parallel, werden durch
Glykane (verzweigte Polysaccharide) quervernetzt
Fibrillen sind starr und
unelastisch
in Pektin
eingelagert
65 / 70
5% Protein
nach Trockenmasse
für Turnover und Remodellierung der
Zellwandkomponenten
66 / 70
Die Zellausdehnung wird von der
Zellwand definiert
Mikrofibrillen sind nicht
dehnbar, können jedoch
ihre Lage zueinander ändern
67 / 70
Die Zellausdehnung
wird von der Zellwand
definiert
epidermale Wurzelzellen im
Wachstum
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Synthese von Cellulose
Cellulose-Synthase ist in Membran eingelagert.
Cellulose wird (wie Hyaluronan) direkt aus der Zelle
heraussynthetisiert.
Substrat ist UDP-Glucose
direkt nach/während Synthese bilden sich Fibrillen
selbständig
69 / 70
Modell zur Steuerung
der Orientierung der
Microfibrillen
geordnete Synthese von
Mikrofibrillen funktioniert
auch ohne MTs, eine
Reorientierung
jedoch nicht.
MTs wie Leitplanken
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