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TEMA 5. ADHESIÓN CELULAR Y UNIONES INTERCELULARES 1. Moléculas de adhesión celular y tipos de uniones celulares 2. Uniones de anclaje 3. Uniones de oclusión 4. Uniones de comunicación 5. Plasmodesmos 1 1. Molécu...

TEMA 5. ADHESIÓN CELULAR Y UNIONES INTERCELULARES 1. Moléculas de adhesión celular y tipos de uniones celulares 2. Uniones de anclaje 3. Uniones de oclusión 4. Uniones de comunicación 5. Plasmodesmos 1 1. Moléculas de adhesión celular y tipos de uniones celulares Las uniones intercelulares son responsables de la organización de los tejidos Presentes en todos los tejidos (entre células, entre células y MEC); abundan en epitelios Determinan la forma y el comportamiento (función) celular (ej. células tumorales) En ellas se inician muchos procesos de señalización (sensores de señales) 2  La adhesión celular está presente desde los primeros estadios del desarrollo embrionario embrión de ratón expresión de E-cadherina (a partir de 8 cél.) compactación Figure 19-5 Molecular Biology of the Cell división y aumento del número de blastómeros  Si se interfiere en la adhesión celular, las células embrionarias se reagrupan siguiendo un patrón anormal e inviable embrión en estado de blástula bloqueo expresión de EP-cadherina Las uniones celulares mediante cadherinas, junto con la formación de las láminas basales por las lamininas, son las características más exclusivas de los organismos pluricelulares (están en el origen de la multicelularidad y en las etapas iniciales de la ontogenia) 3 Adhesión celular: experimentos de disociación y re-agregación de células en cultivo Las moléculas de adhesión celular determinan la - Las células de un mismo tipo 1 2 comparten mecanismos de morfología y el tipo de asociación de las células reconocimiento y adhesión - El tipo de uniones celulares es responsable de la organización de los tejidos si las mezclamos y las volvemos a sembrar en un co-cultivo 3 La adhesión célula-MEC determina la forma celular Célula endotelial en una placa de cultivo recubierta de moléculas de fibronectina mediante nanoimpresión. actina 4  Identificando las Moléculas de Uniones intercelulares (desmosomas) 4 Adhesión Celular (ó CAM) cadherina queratina TEM Familias principales de CAMs La adhesión mediada por algunas moléculas 5 depende de la presencia de Ca 2+ 5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) (fibronectina) (laminina) (fibronectina, colágenos, trombospondina, tenascina) 6  Moléculas de Adhesión Celular  Cadherinas Superfamilia de glucoproteínas que median la adhesión célula-célula (>180 miembros)) parte extracelular (N-ter): dominios cadherina (secuencias His-Ala-Val), sitios de unión a Ca2+ parte intracelular (C-ter) más variable, de unión a proteínas de anclaje con el citoesqueleto (algunas, p.ej, β-catenina, son moléculas señalizadoras) efectora en la señalización de Wnt N-t Las cadherinas clásicas forman homodímeros con 5 dominios cadherina uniones homofílicas uniones homofílicas C-t Figure 19-14 Molecular Biology of the Cell 7  La adhesión celular mediante cadherinas es dependiente de Ca2+ unión recíproca la unión a Ca2+ da rigidez a la región “protuberancia-cavidad” bisagra flexible (y a toda la molélula) Las cadherinas se agrupan formando uniones adherentes a modo de “velcro” llamadas bandas de adhesión (si añadimos EDTA, un quelante de Ca2+) cambio conformacional seguido de degradación proteolítica 8 Figure 19-9 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Uniones entre dominios cadherina en cis y en trans Intercambio de un pequeño segmento con Trp entre ambos polipéptidos Unión a filamentos de actina mediante proteínas adaptadoras 9  Figure 19-6 Molecular Biology of the Cell Diferentes tipos de cadherinas, tejido-específicas > 70 cadherinas ↑ homología ↑ homología; hasta 30 dominios cadherina, otros dominios funcionales 10 Table 19-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  Figure 19-6 Molecular Biology of the Cell Diferentes tipos de cadherinas, tejido-específicas > 70 cadherinas ↑ homología ↑ homología; hasta 30 dominios cadherina, otros dominios funcionales * * * 11 Table 19-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) (*) función ppal señalizadora  CAMs de la Superfamilia de las Inmunoglobulinas (IgSF) Glucoproteínas multidominio que median la adhesión célula-célula independiente de Ca2+ Todas las CAM IgSF tienen dominios Ig (70-100 aas, muy empaquetados en su plegamiento; > 765 dominios Ig distintos: tipo C2, V, …) Algunas también tienen dominios FNIII forma uniones homofílicas forma uniones Figure 19-20 Molecular Biology of the Cell, 2008 heterofílicas (unión a integrinas) unión a CQ (actina, tubulina) 12  CAMs de la Superfamilia de las Inmunoglobulinas (IgSF) Glucoproteínas multidominio que median la adhesión célula-célula independiente de Ca2+ Todas las CAM IgSF tienen dominios Ig (70-100 aas, muy empaquetados en su plegamiento; > 765 dominios Ig distintos: tipo C2, V, …) Algunas también tienen dominios FNIII forma uniones homofílicas Neural Cell Adhesion Molecules (NCAM) (muy abundantes en el sist. nervioso; migraciones forma uniones celulares, crecimiento axónico) Figure 19-20 Molecular Biology of the Cell, 2008 heterofílicas (unión a integrinas) ej. L1-NCAM (desarrollo del sistema nervioso) unión a CQ (actina, tubulina) 13  CAMs de la Superfamilia de las Inmunoglobulinas (IgSF) Glucoproteínas multidominio que median la adhesión célula-célula independiente de Ca2+ Todas las CAM IgSF tienen dominios Ig (70-100 aas, muy empaquetados en su plegamiento; > 765 dominios Ig distintos: tipo C2, V, …) Algunas también tienen dominios FNIII forma uniones homofílicas forma uniones extravasación de leucocito Figure 19-20 Molecular Biology of the Cell, 2008 heterofílicas hacia el sitio de infección (unión a integrinas) cél. endotelial (pared vaso sanguíneo) unión a CQ (actina, tubulina) 14   Selectinas Forman uniones transitorias entre leucocitos y células vasculares (en sitios de coagulación e inflamación) Glucoproteínas de adhesión célula-célula (actividad dependiente de Ca2+) Se unen mediante un dominio lectina a leucocitos oligosacáridos específicos* en la superficie de otras células (reconocimiento celular) * cél. endoteliales plaquetas, cél. endoteliales Figure 19-19 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Structural domains * Oligosacárido específico en glucoproteínas o 15 glucolípidos En un mismo proceso pueden intervenir diferentes tipos de moléculas de adhesión Ejemplo: EXTRAVASACIÓN DE LEUCOCITOS EN SITIOS DE INFECCIÓN Señales químicas locales en sitio de inflamación 1º inducen expresión de selectinas en células endoteliales 2º Uniones fuertes mediadas por ICAM- integrinas (extravasación seguida de Uniones débiles entre leucocitos y células endoteliales migración hacia el tejido conjuntivo) mediadas por selectinas-oligosacáridos (rowling) Video 1 Leukocyte Rolling: https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=LB9FYAo7SJU Video 2 Leukocyte Extravasation https://www.youtube.com/watch?v=eH5nUyYY_0g 16  Integrinas Receptores que actúan como conectores transmembrana de los microambientes extracelular y citoplasmático 17  Las células pueden expresar diferentes integrinas, uniéndose a diferentes componentes de la MEC (y a algunas células mediante V-CAMs o I-CAMs) actividad depende de Ca2+, Mg2+, Mn2+ Conocemos 18 subun. α y 8 subun. β (identificadas 24 integrinas diferentes) especificidad de ligando Heterodímero talina unión al CQ actina 18  Las células pueden expresar diferentes integrinas, uniéndose a diferentes componentes de la MEC (y a algunas células mediante V-CAMs o I-CAMs) actividad depende de Ca2+, Mg2+, Mn2+ Conocemos 18 subun α y 8 subun β (identificadas 24 integrinas diferentes) especificidad de ligando Heterodímero talina unión al CQ actina 19  Las integrinas son clave en la conversión de señales químicas en señales mecánicas (o al revés) procesos de adhesión y contracción del CQ La unión de las integrinas con sus ligandos (p.ej. las inactiva activa secuencias RGD) induce su activación por un cambio conformacional La activación puede ocurrir de “fuera hacia dentro” La talina es clave en la activación, interaccionando con múltiples proteínas del citoesqueleto ó de “dentro hacia fuera” Figure 19-45, 19-48 Molecular Biology of the Cell 20 La activación de las integrinas también depende de señales químicas que activan receptores tipo tirosina quinasa y proteínas G que se transmiten al citoesqueleto a través de talina Ej. señalización en la migración celular Figure 19-45, 19-48 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 21  TIPOS DE UNIONES INTERCELULARES Las células de los tejidos epiteliales se asocian entre sí muy estrechamente para llevar a cabo su función formando diferentes tipos de uniones U. DE OCLUSIÓN COMPLEJO DE UNIÓN U. DE ANCLAJE U. DE ANCLAJE 22  Las células epiteliales también forman uniones con la lámina basal (MEC) Figure 19-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) DE COMUNICACIÓN UNIONES CÉLULA-MEC 23  ANCLAJE (contactos focales) OCLUSIÓN COMUNICACIÓN SEÑALIZACIÓN 24 Table 19-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  2. Uniones de anclaje uniones adherentes cadherinas (célula-célula) actina Tipos TRANSMEMBRANA FILAMENTOS DEL CITOESQUELETO contactos focales integrinas PROTEÍNAS (célula-MEC) desmosomas cadherinas (célula-célula) filamentos intermedios hemidesmosomas integrinas (célula-MEC) (contactos focales) (fibronectina y otras) 25 (laminina y otras)  2.1. Uniones adherentes Abundantes en tejidos con células fuertemente unidas Tejidos epiteliales Tejidos musculares Tejido nervioso bandas de adhesión discos intercalares uniones adherentes en sinapsis Conectan el microambiente extracellular con el citoesqueleto ANCLAJE (cadherinas) Figure 19-15, 19-16 MBC PLEGAMIENTO DE LÁMINAS EPITELIALES SEÑALIZACIÓN (proteínas de la placa de anclaje) 26  2.2. Desmosomas Confieren gran resistencia a los epitelios y a otros tejidos con estrés mecánico Elevado grado de complejidad estructural epidermis estrato espinoso Figure 19-17 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Discos de 1 µm Ø espacio de 30 nm con “peldaños”, composición mal caracterizada (desmoglea) FIs: uniones laterales con plaquinas * 27  El patrón de expresión de las proteínas desmosómicas de la epidermis cambia en sus capas Alteraciones de las proteínas desmosómicas (mutaciones, autoinmunidad) provocan patologías Ampollas en la piel por enfermedad autoinmune Alteraciones en otros (pénfigo) contra una proteína desmosómica tejidos Desmosomas en las células del tejido cardíaco: b) sano c) cardiomiopatía ventricular 28  2.3. Hemidesmosomas Uniones de anclaje entre células epiteliales y lámina basal: implicadas en integridad y resistencia del tejido, y señalización Composición diferente a desmosomas: integrinas y plaquinas específicas Figure 6-15. Structure of the hemidesmosome as observed by electron microscopy. A Fib, anchoring fibril; A Fil, anchoring filaments; IF, intermediate = Colágeno XVII filaments; LD, lamina densa of basement membrane; P, plaque. Scale bar = 0.4μm. Figure 19-18 MBC Relación entre desmosomas y hemidesmosomas Figure 6-16. Molecular components of the hemidesmosome. Medical Cell Biology (Third Edition) 2008, Pages 191-225 Chapter 6 - Cell Adhesion and the Extracellular Matrix 29  2.4. Contactos focales Estructuras subcelulares de adhesión a través de las que se transmiten fuerzas mecánicas y señales reguladoras entre la MEC y la célula que interactúa con ella Muy dinámicas, conectan el citoesqueleto celular con la MEC actuando como sensores de sus condiciones y afectando a su comportamiento (motilidad, ciclo celular, diferenciación, etc.) - complejos macromoleculares (hasta 100 proteínas) en sitios de unión y agrupamiento de integrinas - en estado de flujo constante: la uniones se asocian y disocian continuamente conforme las señales se transmiten a otros puntos de la célula - el anclaje de los filamentos de actina altera su flujo retrógrado, creando una fuerza tractora que impulsa el avance celular actina deformación de la MEC durante la locomoción en un cultivo celular integrina actina vinculina Regulación de la función mecanosensora de los contactos focales 1. Las proteínas Rho regulan la formación de contactos focales a través de talina, produciendo el reclutamiento y agregación de moléculas de integrina y la formación de fibras de estrés Dominios en proteínas mecanosensoras que responden a fuerzas mecánicas sitio de unión fibronectina sitio de unión vinculina 2. El estímulo mecánico que se produce en los contactos focales activa las quinasas Src y FAK que transmiten la señal al núcleo por ejemplo 31  3. Uniones de oclusión (estancas, herméticas, tight junctions) Contactos entre células epiteliales que forman un cinturón de sellado del espacio intercelular en la porción más apical de los complejos de unión (barrera de permeabilidad selectiva) Abundantes en cavidades y conductos excretores CRIOFRACTURA TEM lantano cordones selladores Experimentos de permeabilidad con lantano Figure 19-24, 19-25, 19-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 33  Ocludina y claudinas son las proteínas transmembrana mayoritarias en los cordones selladores las uniones estrechas La especificidad tisular de la permeabilidad de las uniones oclusivas depende de su ·· composición en claudinas · TEM - criofractura · claudina ocludina Proteínas ZO-1, ZO-2, ZO-3 (proteínas de la Zona Los cambios en el citoesqueleto de actina-miosina Ocludens o proteínas de regulados por las proteínas ZO modifican la armazón) permeabilidad de las uniones estrechas * Son proteínas MAGUK (Membrane Associated MLCK Guanylate Kinase proteins) Rho-k Proteínas JAM (Junction- Associated Membrane proteins): interaccionan con las células que atraviesan la uniones estrechas 34 TRANSPORTE DE GLUCOSA POR LAS CÉLULAS EPITELIALES DEL INTESTINO: PAPEL DE LAS UNIONES ESTRECHAS 1. Las uniones estancas limitan el transporte de agua y solutos a través del espacio intercelular, favoreciendo el transporte transcelular 2. Mantienen la polaridad celular y la separación de los dos transportadores de glucosa e impiden su retorno a favor de gradiente de concentración, contribuyendo a la unidireccionalidad del transporte Figure 19-23 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 35 4. Uniones de comunicación (uniones tipo gap) Las uniones tipo gap forman canales que permiten el paso de iones y otras moléculas pequeñas entre las células en contacto Ello produce su acoplamiento eléctrico y metabólico, y les permite una respuesta síncrona a distintas señales Experimentos pioneros de Werner Loewenstein La permeabilidad de las uniones de ddp > 1.200 D comunicación depende de la [Ca2+]int, de la [H+] y del potencial de membrana < 1.200 D: AMPc, IP3, Ca2+, vitaminas, etc. inyección de Lucifer Yellow inyección de Lucifer Yellow, + dopamina (↑ AMPc) Figure 19-37 Molecular Biology of the Cell 36  En las uniones de tipo gap las membranas plasmáticas se acercan entre sí mediante complejos proteicos hexaméricos (conexones) formados por conexinas 37 Figure 19-34b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  La composición en conexinas determina las propiedades del canal central de los conexones que forman las uniones de tipo gap Connexin structure Uniones tipo gap en fibras musculares Uniones tipo gap (sinapsis eléctricas) en neuronas 38 5. Plasmodesmos Puentes citoplasmáticos entre células vegetales a través de sus paredes celulares Se forman durante la citocinesis alrededor de elementos del REL atrapados en la placa celular en formación  La permeabilidad de los plasmodesmos (hasta aprox. 1.000 D) está regulada por la deposición y degradación dinámica de calosa en el cuello del plasmodesmo También regulan su permeabilidad los iones Ca2+ y distintas condiciones fisiológicas y hormonas vegetales A simplified schematic representation of plasmodesmata (PD) structural and functional proteins. Permeability of PD in the plant cell wall is controlled by dynamic callose deposition (closed, right side) and degradation (open, left side) at the neck region of PD. ER, endoplasmic reticulum; GSL, glucan synthase-like; PM, plasma membrane; PDCB, PD-associated callose binding protein; PDGB, plasmodesmal associated β-1,3-glucanase; PDLP, PD-localized protein. 40 TEMA 5 LECTURAS RECOMENDADAS Alberts et al. Biología Molecular de la Célula - Cap. 19. Uniones celulares, adhesión y matriz extracelular Becker et al. El Mundo de la Célula - Cap. 17. Estructuras extracelulares, adhesión y uniones celulares Lodish et al. Biología Celular y Molecular - Cap. 6. Integración de células en tejidos Video: The Inner Life of the Cell , Harvard University http://www.xvivo.net/animation/the-inner-life-of-the-cell/ 41