Thema:  STRUKTUR UND FUNKTION VON ZELLADHÄSIONSMOLEKÜLEN
Gastreferent:  Dr. Lothar Lucka (Institut für Molekularbiologie und Biochemie, Freie Universität Berlin, Arnimallee 22, 14195 Berlin)

Zusammenfassung:

Adhäsive Interaktionen von Zellen sind sowohl essentiell für Überleben, Proliferation, Differenzierung und Funktion von Zellen, als auch für zelluläre Kommunikation wie sie bei zahlreichen physiologischen Prozessen eines vielzelligen Organsimus stattfindet. Unter Adhäsion versteht man den spezifischen, Rezeptor-vermittelten Kontakt zwischen Zellen oder zwischen Zellen und der sie umgebenden extrazellulären Matrix (EZM). Diese Interaktionen besitzen einerseits eine mechanische Funktion, die für die Elastizität und Zugfestigkeit, also für Gewebeintegrität, und die Zellwanderung von Bedeutung sind. Zum anderen wirken die Adhäsionsrezeptoren auch als Signalübermittler. Diese Signaltransduktionsprozesse können, wie bei den Integrinen, bidirektional verlaufen, d.h. ins Zellinnere hinein (Outside-in), aber auch aus der Zelle heraus (Inside-out). Dies ermöglicht ein Ineinandergreifen der verschiedenen Funktionen der Rezeptoren. Durch Adhäsion werden intrazelluläre Prozesse in Gang gesetzt, die zur Umstrukturierung des Cytoskeletts und zur Induktion von Signalkaskaden führen können. Diese intrazellulären Vorgänge können ihrerseits Affinität, Expressionsmuster und Spezifität des Rezeptors beeinflussen.
Zell-Adhäsionmoleküle (CAMs) werden funktionell und strukturell von den Substrat-Adhäsionsmolekülen (SAMs) und den Zell-Verbindungsmolekülen (CJMs) abgegrenzt. Substrat-Adhäsionsmoleküle sind Proteine der extrazellulären Matrix und der Basalmembran. Dazu gehören Proteoglykane, Kollagene, Fibronektin, Laminin oder Tenaszin. Dagegen bilden Zell-Verbindungsmoleküle feste interzelluläre Brücken in Form von Desmosomen, Tight- oder Gap-Junctions. Zell-Adhäsionsmoleküle bilden eher lose Verbindingen. Durch sie erkennen Zellen ihre Umgebung, beispielsweise andere Zellen, und es kommt zu ersten Kontakten und Anknüpfungen. Solche Interaktionen können entweder homophil sein, das bedeutet der Ligand ist das gleiche Molekül wie der Rezeptor , oder heterophil, das heißt der Ligand und der Rezeptor unterscheiden sich.
 

Bei den Zelladhäsionsrezeptoren handelt es sich um transmembranäre Glykoproteine, die sich in vier Familien zusammenfassen lassen: den Selektinen, Cadherinen, Integrinen und Molekülen der Immunglobulinsuperfamilie.
Selektine sind Lektin-artige Rezeptoren, die heterotypische Zell-Zell-Adhäsion durch Bindung an sialylierte Glykane vermitteln. Sie werden auf Leukozyten, Plättchen und Endothelzellen exprimiert. Während entzündlicher Prozesse initiieren Selektine die Interaktion von Leukozyten mit Endothelzellen, das "Rollen", dem das Auswandern der Zellen aus dem Blut ins Gewebe folgt.
Mitglieder der Cadherinfamilie sind homotypische Zell-Zell-Adhäsionsmoleküle, die in spezialisierten Membranbereichen, wie der Zonula adherens und den Desmosomen von Epithelzellen, lokalisiert sind. In der Zonula adherens bilden sie enge Zell-Zell-Verbindungen, welche als selektive Diffusionsbarrieren dienen. In diesen Kontakstellen stehen sie mit dem Cytoskelett in Verbindung. Sie sind essentiell für die Entwicklung und den Erhalt von Gewebestrukturen, insbesondere von epithelialen Interaktionen, vermitteln aber auch Signale, wie in dem wnt/wg-Signalweg.
Die Zelladhäsionsmoleküle der Immunglobulinfamilie (Ig-CAMs) besitzen eine oder mehrere Immunglobulin-Domänen (Ig-Domänen). Sie vermitteln sowohl homotypische Interaktionen, wie z.B. durch das NCAM, welches an der neuronalen Differenzierung beteiligt ist, als auch heterotypische, wie sie bei den Adhäsionsrezeptoren im Immunsystem vorkommen.
Die vierte Familie der Adhäsionsrezeptoren stellen die Integrine dar, welche auf praktisch allen Zellen exprimiert werden und bereits früh während der Embryonalentwicklung benötigt werden. Sie sind beteiligt an Zellwachstum, Differenzierung, Immunantworten, Wundheilung aber auch an pathologischen Prozessen wie der Tumorentstehung. Integrine binden andere membranständige Adhäsionsrezeptoren auf benachbarten Zellen, beispielsweise Proteine der Ig-Superfamilie, oder Proteine der extrazellulären Matrix. Integrine sind Heterodimere bestehend aus einer a- und einer b-Kette, die nicht-kovalent miteinander verknüpft sind.
Die Funktion aller Zell-Adhäsionsmoleküle ist mit deren intrazellulären Protein-Interaktionen gekoppelt. So wird die morphoregulatorische Fähigkeit von CAMs durch direkte oder indirekte Verknüpfungen mit Bestandteilen des Zytoskeletts ermöglicht. Beispielsweise sind Cadherine mit b- oder g-Catenin, diese wiederum mit a-Catenin verbunden, welches direkt an Aktin-Fasern koppelt. Integrine dagegen assoziieren mit Talin, Paxillin oder Vincullin und über diese Proteine ebenfalls mit dem Aktin-Zytoskelett. Aber auch Kinasen und Phosphatasen, die entscheidend zur Fähigkeit von CAMs beitragen, Signale zu übermitteln, binden auf der zytoplasmatischen Seite der Integrine in Multiprotein-Komplexen, den sog. fokalen Adhäsionskontakt-Stellen. Von besonderer Bedeutung für die Signalinitiation ist in diesen Kontaktstellen die fokale Adhäsionskinase (FAK). Nach Bindung und Aktivierung der FAK können unterschiedlichste Signalwege, vom klassischen MAP-Kinaseweg über PI3-Kinase-vermittelte Signale bis hin zur Aktivierung der Jun-N-terminalen Kinase aktiviert werden. Einen anderen Signalweg, der erstmals für Drosophila beschrieben wurde, dort entscheidend für die korrekte Achsenbildung ist, ist der sog. wg/wnt-Pathway. Dieser ist über b-Catenin direkt mit der Wirkung von Cadherinen verbunden. So beeinflußt der wnt-Weg direkt die Fähigkeit von b-Catenin als Aktivator des Transkriptionsfaktors TCF/LEF1 zu wirken. Andererseits kann wnt-Aktivtät die Abbaurate von b-Catenin in Proteasomen steuern.
Zusammenfassed läßt sich feststellen, daß Adhäsionsvorgänge nicht nur für die Aufrechterhaltung der morphologischen und funktionellen Integrität von Organen, die Wundheilung oder Immunantwort wichtig sind, sondern auch zur Signalübertragung genutzt werden. Dementsprechend sind Zelladhäsions-Rezeptoren nicht nur statische Haltemoleküle, sondern sind vielmehr als dynamische Systembestandteile für die zelluläre Organisation und Kommunikation anzusehen.

Die besten Übersichtsartikel zu diesem Thema findet man in Current Opininion of Cell Biology, insbesondere in den Oktoberausgaben "Cell-to-cell contact and extracellular matrix". Dieses Journal gibt es elektronisch über das BioMetNet, "http://www.bmn.com", als Full-Text-Ausgabe mit ladbaren pdf-Dokumenten.

Referat 1

Referat 2 (Susanne Klatt)
Sensaki, K., Ogawa, M. and Yagi T.   Cell, Vol.99, 635-647 ( 1999 )
Proteine der CNR-Familie sind multiple Rezeptoren für Reelin

Reelin, ein großes extrazelluläres Glycoprotein, welches in Cajal-Retzius-Zellen exprimiert wird, bindet an CNR ( Cadherin related neuronal Rezeptor; CNR aus dem Untersuchungssystem Maus entspricht dem humanen Pcdha ). CNR wird von den Neuronen der Kortikalen Platte ( aber nicht in Cajal-Retzius-Zellen ) exprimiert und kann mit der cytoplasmatischen Domäne an die Tyrosinkinase Fyn binden. Der Signalweg führt zur Tyrosinphosphorylierung von mDab1, welches für die Neuronen- positionierung verantwortlich ist und im Cytoplasma vorkommt. mDab1 besitzt eine Interaktionsdomäne, die mit dem NPXY-Motiv, welches in Rezeptordomänen vorkommen kann, die sich im Cytoplasma befinden, interagieren kann. Außerdem kann mDab1 mit der SH2-Domäne von Src, Fyn und Ab I assoziieren. Sogenannte reeler-Mäuse haben ein defektes Reelin-Gen, weshalb die neuronale Migration nicht richtig funktioniert und es zur Inversion der Zellschichten der kortikalen Platte kommt.  In den Experimenten, die zu diesen Ergebnissen führten, wurde das Expressionsmuster von CNR-Genen und fyn mittels in-situ-Hybridisierung untersucht und eine Double-Staining-Analyse zur Lokalisation von CNR1-mRNA und Reelin ( mittels Antikörper CR-50 ) durchgeführt. Die CNR-Reelin-Bindung wurde sehr ausführlich durch
Coimmunopräzipitations-Experimente mit Fusionsproteinen untersucht. Dabei wurde herausgefunden, daß die Aminosäure Asp des RGD-Motivs in CNR für die Bindung unbedingt notwendig ist ( site-directed-Mutagenese ). Der für die Interaktion mit CNR verantwortliche Bereich befindet sich in der B-Domäne des ersten internal repeats von Reelin. Die Untersuchung der Bindungsaffinität führte zu KD = 1,62 – 1,84 nM. Stimmulationsexperimente der mDab1-Phosphorylierung in kortikalen Neuronen mittels Reelin und anti-RBD-( Reelin-binding- domain ) Antikörper zeigten, daß CNR im Signalweg zwischen Reelin und mDab1 steht. Die Interaktion von CNR und Reelin wurde in vivo mittels double-labeling und Konfokaler Laser Scanning Fluoreszenzmikroskopie untersucht, wodurch herausgefunden wurde, daß beide in der marginalen Zone, in Form von diskreten Punkten angereichert, vorkommen. Durch Zugabe von anti-RBD-AK zur Reaggregation von kortikalen E14-Zellen bilden sich sphärische Aggregate von geringerem Durchmesser, weshalb man daraus schlußfolgert, daß CNR auch noch andere Funktionen hat.
EC1 ( die erste extrazelluläre Domäne von CNR ) ist in der Maus sehr stark konserviert, eine DNA-Analyse mittels Southern-Blot von verschiedenen Vertebraten zeigte eine unterschiedliche Anzahl von CNR-Genkopien ( für Säugetiere 20, Vögel 10, Reptilien 5, Amphibien 2 ), die für die unterschiedliche Positionierung von Neuronen in verschiedenen Vertebraten-Gehirnen verantwortlich gemacht wird.

Seite erstellt von Chris Weise, Juli 2000