Zellbiologie

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UnterschiedlichesEmbryonalgewebe

• Zell-Zell-Kontakte• Zell-Extrazelluläre Matrix-Kontakte• Grundlage für Ausbildung von Vielzellern, Gewebe• Mechanische Festigkeit außen und innen (Zytoskelett)

Membranverbindungen - Grundlagen

Trypsin- Ca2+

Trypsin- Ca2+

?Mischen+ Ca2+

Membranverbindungen - Grundlagen

Trypsin- Ca2+

Trypsin- Ca2+

UnterschiedlichesEmbryonalgewebe

• Zelltyp-spezifische Erkennung �Zelladhäsionsmoleküle–Ca2+-dependent cell adhesion proteins = Cadherine–Cell adhesion molecules = CAM

• �Polarisierte Epithelzelle

Mischen+ Ca2+

Polarisierte Epithelzelle

Membranverbindungen: Übersicht

3) Kommunikationsverbindungen

Gap junction, Macula communicans, Nexus

elektrische Synapsen

2) Ankerverbindungen

Zonula adhaerens, adherens junction, (Gürteldesmosom)

Fokaler Kontakt, adhesion plaque

Desmosomen, Macula adhaerens, Punktdesmosomen

Hemidesmosom

Zel

l-Zel

lZ

elle

-EZ

M

A

I

I

A

1) Verschlußverbindung

Zonula occludens, tight junctionA

Interaktionen mit ... Aktinfilament IntermediärfilamentA: I:

Polarisierte Epithelzelle mit Membranverbindungen

Polarisierte Epithelzellenmit

Membranverbindungen

Azinuszellen des Pankreas

• Molekulare Basis für polarisierte Epithelzelle apikale (Mikrovilli) und basolaterale Membran

• Bändermuster (Occludin, Claudin, ZO1 - ZO4)• Gürtel

Zonula occludens, tight junction

• Eingeschränkte Membrandiffusion• Dichtigkeit der Interzellularspalten• Unterschiedliche Dichtigkeit in verschiedenen Geweben

Harnblase 10.000x dichter für Na+ als Darm• Parazellulärer Transport

Zonula occludens, tight junction

Tight junctions

Tight junctions

Occludin

• Integrales Membranprotein (65-kDa), das

ausschließlich in TJ epithelialer und endothelialer

Zellen vorkommt

• 4 Transmembrandomänen

• Assoziiert mit ZO-1 und ZO-2

Occludin

• Integrales Membranprotein (65-kDa), das

ausschließlich in TJ epithelialer und endothelialer

Zellen vorkommt

• 4 Transmembrandomänen

• Assoziiert mit ZO-1 und ZO-2

Tight junctions

Tight junctions

Claudin (lat. claudere – abschliessen)

• Multigen-Familie von 4 Transmembrandomänen-Proteinen in tightjunctions

• Keine Sequenz-Homologien zu Occludin

• Ca. 22 kDa

Tight junctions

Tight junctions

Tight junctions

I. Disturbance of the fence function (maintenance of cell polarity):Cancer cells, Oncogenic papillomavirus infection

II. Disturbance of the barrier function (regulation of paracellular pathway):1. Vascular system:Edema, Endotoxinemia, Cytokinemia, Diabetic retinopathy, Multiple sclerosis, Blood-borne metastasis2. Gastrointestinal tract:Bacterial gastritis, Pseudomembranou, colitis, Crohn’s disease, Ulcerative colitis, Celiac disease, Collagenous colitis3. Liver:Jaundice, Primary biliary cirrhosis, Primary sclerosing cholangitis4. Respiratory tract:Asthma, Adult (or acute) respiratory distress syndrome (ARDS)5. Viral infections:Reovirus, adenovirus, coxsackievirus, rotavirus, HIV6. Hereditary diseases:Hypomagnesemia, Deafness, Cystic fibrosis7. Miscellaneous:Ovarian hyperstimulation syndrome

Human diseases relevant to tight junctions

1. Functional changes of tight junction proteins (target molecules)Clostridium perfringens (claudin-3, -4)Vibrio cholerae (occludin)Reovirus (JAM)Coxsackievirus and adenovirus (CAR)Dermatophagoides pteronyssinus (occludin, claudin-1)

2. Change in actin organization by modulation of Rho and myosin light chain kinase activityClostridium diphtheriaeClostridium difficileEnteropathogenic Escherichia coli

3. Indirect mechanisms such as PKC activation, including unknown onesBacteroides fragilisHelicobacter pyloriRotavirus

Pathogenic agents

• Gürtel• Ankerproteine Cadherine

Adherens junctions

Adherens junctions

E-Cadherin• das am besten charakterisierte Cadherin

• in „adherens junctions“ausgereifter Epithelzellen

• ist an das corticale Aktin-Skelett gekoppelt

Morula

+ E-cadherin Ak.

Adherens junctions

E-Cadherin• das am besten charakterisierte Cadherin

• in „adherens junctions“ausgereifter Epithelzellen

• ist an das corticale Aktin-Skelett gekoppelt

Adherens junctions

E-Cadherin

Adherens junctions

Cadherine

Cadherin-Moleküle in Säugerzellen

Molekül zelluläre Verteilung

E-Cadherin Epithelzellen

P-Cadherin Herz, Lunge, Darm

N-Cadherin Nervensystem, Lunge, Herz, Linse

R-Cadherin Retina-Nerv, Gliazellen

M-Cadherin Myoblasten, Skelettmuskelzellen

Adherens junctionsVergleich der Verbindungen epithelialer Zellen und neuronaler Synapsen

zonula adherens des Epithels

zonula adherens des Neurons

Ca2+

PM1 PM2

Zonula adhaerens, adhesion junction• Ankerproteine Cadherine• Interaktionen mit Aktin Zytoskelett

(über -Actinin, Vinculin, Catenin, und evtl. Myosin (Kontraktionen))

• Charakteristische Gewebeverteilung (E, N, P, R, M Typen)

• Homophile Interaktion • Funktion bei Zelldifferenzierung (Krebs)

• Pendant an EZM: Fokale Kontakte (Integrine)

Desmosomen

• Punktförmig („Druckknopf“)

• Cadherine (Desmoglein Desmocollin)

Desmosomen

• Cadherine (Desmoglein Desmocollin)Homophile Interaktion

• Plaques (Plakoglobin)(Desmoplakin)

• Interaktionen mit Intermediärfilamenten (Zytokeratine, Desmin)

Desmosomen

(Plakophilin)

(Plakoglobin)

(Desmoplakin)

Desmoglein

Desmocollin

Desmosomen

Desmosomen

Desmosomen

Desmosomen

• seltene Autoimmunerkrankung Pemphigus foliaceus (Syn. Cazenavesche Krankheit)

• PF-Antikörper erkennen Desmosomen der epidermalen Keratinozyten

• führt zu Hauterosionen und Blasenbildung

• Staph. aureus produziert exfoliative Toxine (Ser-Poteasen)

DesmosomenBlasenkrankheit (Pemphigus vulgaris)

• häufigste Form von Blasenbildung• Autoimmunkrankheit• 0,1 bis 0,5 Fälle pro 100.000 Einwohner (USA)• Ausbruch: im 50.-60. Lebensjahr• Oral mucosale und Haut-Erosionen• Target: Desmoglein 3• Behandlung: anti-inflammatorische Substanzen

(Corticosteroide)

Vergleich:Adherens junctions contra Desmosomen

HemidesmosomenPendant zum Desmosom an EZM: Hemidesmosom

(nur morphologische Ähnlichkeit)

Hemidesmosomen

• Essentiell für die Zell-Zell Kommunikation• Austausch kleiner Moleküle < 1000 Da

Aminosäuren, Ionen, Nukleotide, Zucker,second messenger, Metaboliten, Vitamine

• Gap (Lücke) in zwischen den Zellen wird durch Kanalkompex überspannt• Jede Gap junction kann mehr als hundert Connexone tragen

• Metabolische Kopplung der Zellen

• Elektrische Kopplung der Zellen (erregbare Gewebe)

Gap junctions

• Connexin�Connexon�gap junction

• Homophile und heterophile Interaktionen

Gap junctions

x/y-scan

x/y-scan

x/z-scan

Verteilung von Connexin-50 in

unpolaren Zellen epithelialen, polaren Zellen

• 13 verschiedene Connexine in Mensch• Cx32 Mutationen: Charcot-Marie-Tooth disease

Neuropathie mit Zerstörung der Myelinscheide (Schwann-Zellen)

• Cx26, Cx30, Cx31 Mutationen: Sensorineuraler Hör-verlust Genetisch bedingte Taubheit, Ionenfluß in Cochlea

• Cx26 Mutationen: Keratin-Bildung, z.B. Vohwinkel SyndromKeratinocyten-Differenzierung

• Cx46, Cx50 Mutationen: Katarakt-Bildung (Augenlinsen-trübung), gestörtes Augenzellwachstum

�Knockout-Mäuse als Modell

Gap junctions - Assoziierte Krankheiten