Atlas der Pflanzen- und Tierhistologie

Zellen haften mit Hilfe von Adhäsions-Transmembranproteinen an anderen Zellen und an der extrazellulären Matrix. Dabei stechen Integrine, Cadherine, Selektine und Immunglobuline hervor. Manchmal verbinden sich viele Adhäsionsproteine miteinander und mit anderen Proteinen, um große makromolekulare Adhäsionskomplexe zu bilden, die allgemein als Zellverbindungen bekannt sind. Diese molekularen Gerüste sind essentiell für die Aufrechterhaltung der Integrität vieler Gewebe, wie Epithel-, Muskel- und Nervengewebe.

Zellverbindungen werden nach ihrer Morphologie, der Art der Adhäsionsmoleküle, die sie enthalten, den Strukturen, an denen sie haften, und ihren Interaktionen mit dem Zytoskelett klassifiziert. Zellverzweigungen wurden zuerst mit Elektronenmikroskopen beobachtet und nach ihrer Morphologie benannt, aber erst die Techniken der Molekularbiologie haben ihre komplexe molekulare Organisation aufgedeckt.

Tight junctions

Tight junctions (Abbildung 1), auch bekannt als Zonula occludens, finden sich im apikaleren Teil der Epithelzellen, im Herzmuskel, im Edotheium des Zentralnervensystems und in Hepatozyten. Sie stellen so starke und enge Kontakte zwischen benachbarten Zellen her, dass der Interzellularraum nahezu verschlossen ist.

In den Epithelzellen wirken die Tight Junctions wie ein Reißverschluss um den Zellrand. Neben der starken Adhäsion erfüllen die Tight Junctions noch weitere Funktionen. Im Darmepithel beispielsweise lassen Tight Junctions keine Moleküle zu, die durch den Interzellularraum zwischen den Enterozyten diffundieren, sondern sie sind gezwungen, den Enterozyten zu passieren. Darüber hinaus erhalten die Tight Junctions die Polarität der Epithelzellen aufrecht, da sie eine physikalische Barriere bilden, so dass sie die laterale Diffusion von Membranmolekülen, sowohl Proteinen als auch Lipiden, verhindern. Sie ist eine physikalische Barriere für laterale Diffusion in der Plasmamembran. So entsteht eine apikale Plasmamembran-Domäne mit einem bestimmten Satz von Molekülen, der sich von der laterobasalen Domäne unterscheidet. Dies ist wichtig, um Moleküle aus dem Darmlumen richtig in Richtung der Blutgefäße zu leiten: Sie treten durch die apikale Domäne in den Enterozyten ein und durch die basolaterale Domäne aus.

Die Tight Junctions bestehen aus mehr als 40 Arten von Proteinen. Transmembranproteine sind die Claudine, eine Familie von Proteinen, die als Occludine bekannt sind, und die JAM-Proteine (Junctional Adhesion Molecules). Claudine sind Transmembranproteine, die für die Zell-Zell-Adhäsion zuständig sind. Zwischen den Adhäsionspunkten befindet sich ein sehr schmaler extrazellulärer Raum (ca. 1 nm), der es Ionen ermöglicht, zwischen den Zellen zu reisen. Es gibt zwanzig Arten von Claudinen, die unterschiedlich große Durchgänge bilden. Die Zellen können die Expression der Claudin-Typen verändern und so die Durchlässigkeit durch den Interzellularraum regulieren. Occludine sind für Tight Junctions nicht wirklich notwendig, aber sie verleihen der Zellverbindung Stabilität und helfen, eine bessere Barriere zu schaffen. JAM-Proteine stellen interzelluläre Verbindungen her, aber sie scheinen wichtiger für die Stabilisierung des makromolekularen Gerüsts zu sein. Die intrazelluläre Domäne dieser Proteine ist mit anderen Molekülen assoziiert, die als ZO (zonula occludens) bekannt sind, die wiederum mit Aktinfilamenten und anderen zytosolischen Proteinen verbunden sind. Je nach Adhäsionszustand der Zelle können diese intrazellulären molekularen Interaktionen Signalwege auslösen, die die Zellphysiologie beeinflussen. Eine interessante Beobachtung ist, dass das Auftreten von Tight Junctions in Zellen das Vorhandensein von Adhäsionsverbindungen voraussetzt.

Adhärente Junctions

Adherens Junctions (Zonula adherens) sind Zellverbindungen zwischen Epithelzellen. Sie befinden sich im apikalen Teil der Zelle, direkt unterhalb der tight junctions. Während der Entwicklung sind die adhärenten Verbindungen die erste Zellverbindung, die in Epithelien auftritt, noch vor den tight junctions. Es wird angenommen, dass sie an morphogenetischen Prozessen beteiligt sind. Wie Tight Junctions bilden adhärente Junctions eine gürtelartige Struktur rund um die Zelle. Die extrazellulären Domänen der E-Cadherine und Nectine sind an den Zell-Zell-Kontakten beteiligt, während ihre intrazellulären Domänen mit verschiedenen Molekülen wie β- und α-Cateninen, Catenin p120 und Afadin verbunden sind. Diese Proteine sind Vermittler zwischen Adhäsionsmolekülen und Aktinfilamenten. Außerdem kann β-Catenin in den Zellkern gelangen und die Genexpression verändern.

Adhärenzverbindungen werden sequentiell aufgebaut. Zuerst werden durch Nektine vermittelte Junctions aufgebaut, die eher schwache Adhäsionen bilden, und dann werden Cadherine rekrutiert, um stärkere und stabilere Kontakte zwischen Zellen zu bilden. In einigen Zelltypen leiten adhärente Verbindungen die Bildung von Tight Junctions ein. Occludine werden zusammen mit ihrem Proteingerüst zuerst von den adhärenten Verbindungen rekrutiert, und ZO-Proteine könnten eine relevante Rolle in diesem Prozess haben.

Tight Junctions, adhärente Junctions und Desmosomen werden für die Integrität der Epithelschicht benötigt. Aber nur die adhärenten junctions werden für die koordinierten Bewegungen von Gruppen von Epithelzellen durch die Epithelschicht benötigt, was eine relativ häufige Bewegung ist. Die Zell-Zell-Adhäsionen, die durch adhärente junctions entstehen, bilden ein zusammenhängendes Netz aus Aktinfilamentbündeln verschiedener Zellen, die eine Zellpopulation miteinander verbinden. Diese verbundenen Zellen verhalten sich koordiniert, zum Beispiel um eine verletzte Region zu bedecken.

Desmosomen

Desmosomen (Macula adherens) bilden punktförmige Zell-Zell-Adhäsionen, ähnlich wie Nieten (Abbildung 2). Sie kommen sehr häufig in Epithel- und Muskelgewebe vor, sind aber auch in nahezu jedem anderen Gewebe zu finden, zum Beispiel im Nervengewebe. Cadherine (Desmoglein und Desmocollin) sind die Adhäsionsproteine in Desmosomen. Die intrazellulären Domänen der Desmosomen-Cadherine sind über intermediäre Proteine mit Intermediärfilamenten verbunden.

4. Hemidesmosomen

Hemidesmosomen und fokale Adhäsionen stellen Adhäsionskontakte zwischen Zellen und der extrazellulären Matrix her (Abbildung 3). Beide enthalten Integrine als Adhäsionsmolekül. Hämidesmosomen sind Verbindungsstellen zwischen Epitelialzellen und der Basallamina (einer Art extrazellulärer Matrix). Intrazellulär ist die zystolische Domäne dieser Integrine mit Intermediärfilamenten assoziiert. Obwohl Hemidesmosomen wie eine Hälfte eines Desmosoms aussehen, bestehen sie aus unterschiedlichen Molekülen. Fokale Adhäsionen sind kleiner und stellen Verbindungen zwischen Zellen und extrazellulärer Matrix mit Hilfe von Integrinen her, die intrazellulär an Aktinfilamente gebunden sind.

Es ist üblich, Gap Junctions zur Gruppe der Zellverbindungen zu zählen. Gap junctions sind molekulare Kanäle in der Plasmamembran, die die direkte Kommunikation zwischen dem Zytoplasma benachbarter Zellen ermöglichen. Jeder Kanal, Connexon genannt, besteht aus 6 Connexinen und ermöglicht die Diffusion von kleinen Molekülen zwischen beiden Zytoplasmen. Aus diesem Grund sind Gap Junctions als molekulare Komplexe der Zell-Zell-Kommunikation anzusehen und nicht an der Zell-Zell-Adhäsion beteiligt.

Bibliographie

Campbell HK, Maiers JL, DeMali KA. (2017). Interplay between tight junctions and adherent junctions. Experimental Cell Research 358: 39-44.

Hahn B-S, Labouesse M. (2001). Tissue integrity: Hemidesmosomes and resistance to stress. Current biology 11:R858-R861.

Huber O. (2003). Struktur und Funktion von desmosomalen Proteinen und ihre Rolle in Entwicklung und Krankheit. Cell and molecular life science. 60:1872-1890.

Ladoux B, Mege RM. (2017). Mechanobiologie des kollektiven Zellverhaltens. Nature Reviews in Molecular Cell Biology. 18:743-757.

Niessen CM. (2007). Tight junctions/adherent junctions: basic structure and function. Journal of investigative dermatology. 127:2525-2532.