Введение
Процесс клеточной адгезии – это процесс, посредством которого клетки взаимодействуют и прикрепляются к соседним клеткам через специализированные молекулы клеточной поверхности. Этот процесс может происходить как посредством прямого контакта между клеточными поверхностями, например, через клеточные соединения, так и посредством непрямого взаимодействия, когда клетки прикрепляются к окружающему внеклеточному матриксу – гелеобразной структуре, содержащей молекулы, выделяемые клетками в межклеточное пространство. Клеточная адгезия осуществляется за счет взаимодействия между клеточными адгезионными молекулами (КАМ), трансмембранными белками, расположенными на поверхности клетки. Клеточная адгезия связывает клетки различными способами и может быть вовлечена в трансдукцию сигналов, позволяющую клеткам обнаруживать и реагировать на изменения в окружающей среде. К другим клеточным процессам, регулируемым клеточной адгезией, относятся миграция клеток и развитие тканей у многоклеточных организмов. Нарушения клеточной адгезии могут приводить к сбоям в важных клеточных процессах и развитию различных заболеваний, включая рак и артрит. Клеточная адгезия также необходима инфекционным агентам, таким как бактерии или вирусы, для развития заболеваний.
Cell adhesion is the process by which cells interact and attach to neighbouring cells through specialised molecules of the cell surface. This process can occur either through direct contact between cell surfaces such as cell junctions or indirect interaction, where cells attach to surrounding extracellular matrix, a gel like structure containing molecules released by cells into spaces between them. Cells adhesion occurs from the interactions between cell adhesion molecules (CAMs), transmembrane proteins located on the cell surface. Cell adhesion links cells in different ways and can be involved in signal transduction for cells to detect and respond to changes in the surroundings. Other cellular processes regulated by cell adhesion include cell migration and tissue development in multicellular organisms. Alterations in cell adhesion can disrupt important cellular processes and lead to a variety of diseases, including cancer and arthritis. Cell adhesion is also essential for infectious organisms, such as bacteria or viruses, to cause diseases.
Общий механизм
КАМ классифицируются на четыре основных семейства: интеграли, суперсемейство иммуноглобулинов (Ig), кадхерины и селектины. Взаимодействие с актиновыми филаментами также может способствовать кластеризации кадхеринов, которые участвуют в формировании адгеренсных соединений. Это происходит потому, что кластеры кадхеринов стимулируют полимеризацию актиновых филаментов, что, в свою очередь, способствует формированию адгеренсных соединений посредством связывания с комплексами кадхерин-катенин, которые затем образуются в области соединения.
Десмосомы
Десмосомы структурно похожи на адгерентные соединения, но состоят из различных компонентов. Вместо классических кадхеринов, неклассические кадхерины, такие как десмоглеины и десмоколлины, выступают в роли молекул адгезии и связаны с промежуточными филаментами, а не с актиновыми филаментами. Катенин отсутствует в десмосомах, поскольку внутриклеточные домены десмосомных кадхеринов взаимодействуют с белками десмосомных бляшек, которые формируют толстые цитоплазматические бляшки в десмосомах и связывают кадхерины с промежуточными филаментами. Десмосомы обеспечивают прочность и устойчивость к механическим напряжениям, перераспределяя силы на гибкие, но упругие промежуточные филаменты, что невозможно при использовании жестких актиновых филаментов. Плотные (герметичные) соединения формируются трансмембранными белками, включая клаудины, окклюдины и трицеллюлины, которые тесно связываются друг с другом на соседних мембранах гомофильным образом. Клаудины, необходимые для формирования плотных соединений, образуют параклеточные поры, обеспечивающие селективный транспорт определенных ионов через плотные соединения, делая барьер избирательно проницаемым. Коннексоны из соседних клеток формируют непрерывные каналы при контакте и выравнивании друг с другом. Эти каналы обеспечивают транспорт ионов и небольших молекул между цитоплазмами двух соседних клеток, помимо поддержания соединения клеток и обеспечения структурной стабильности, как в якорных или плотных соединениях. Каналы могут реагировать на различные стимулы и динамически регулироваться как быстрыми механизмами, такими как воротное управление напряжением, так и медленными механизмами, такими как изменение количества каналов в щелевых соединениях. Селектины осуществляют гетерофильное связывание, поскольку их внеклеточный домен связывается с углеводами на соседних клетках, а не с другими селектинами, при этом, как и кадхеринам, для их функционирования необходимы ионы Ca2+. В этих участках интеграны на перемещающихся лейкоцитах активируются и прочно связываются с местными эндотелиальными клетками, позволяя лейкоцитам прекратить миграцию и перемещаться через эндотелиальный барьер. Некоторые IgSF CAM, такие как молекулы адгезии нейронных клеток (NCAM), способны осуществлять гомофильное связывание, в то время как другие, такие как межклеточные молекулы адгезии (ICAM) или сосудистые молекулы адгезии (VCAM), подвергаются гетерофильному связыванию с молекулами, такими как углеводы или интеграны. И ICAM, и VCAM экспрессируются на сосудистых эндотелиальных клетках и взаимодействуют с интегранами на лейкоцитах, способствуя прикреплению лейкоцитов и их перемещению через эндотелиальный барьер. Интегрины могут передавать сигналы в обоих направлениях: сигнализация "изнутри наружу", когда внутриклеточные сигналы, модифицирующие внутриклеточные домены, регулируют аффинность интегранов к их лигандам, и сигнализация "снаружи внутрь", когда внеклеточные лиганды, связывающиеся с внеклеточными доменами, вызывают конформационные изменения в интегранах и инициируют сигнальные каскады.
Гемидесмосомы
В гемидесмосомах интеграны связываются с белками внеклеточного матрикса, называемыми ламининами, в базальной мембране, которая является внеклеточным матриксом, секретируемым эпителиальными клетками. Гемидесмосомы играют важную роль в поддержании структурной стабильности эпителиальных клеток, закрепляя их опосредованно через внеклеточный матрикс.
Фокальные адгезии
При очаговых адгезиях интеграны присоединяют фибронектины, компонент внеклеточного матрикса, к актиновым нитям внутри клеток. Этот мультипротеиновый комплекс, связывающий интеграны с актиновыми нитями, важен для сборки сигнальных комплексов, которые служат сигналами для роста и подвижности клеток. Молекулы, являющиеся питательными веществами или сигналами, необходимыми для роста, транспортируются пассивно или селективно между растительными клетками через плазмодесмы. Клеточная адгезия играет ключевую роль в прикреплении патогенных простейших к клеткам хозяина и проникновении в них. Примером патогенной простейшей является малярийный паразит (Plasmodium falciparum), который использует одну адгезионную молекулу, называемую белком циркумспорозоита, для связывания с клетками печени, и другую адгезионную молекулу, называемую белком поверхности мерозоита, для связывания с эритроцитами. Патогенные грибы используют адгезионные молекулы, присутствующие на их клеточной стенке, для прикрепления к клеткам хозяина или фибронектинам внеклеточного матрикса посредством белок-белковых или белок-углеводных взаимодействий.
Прокариоты
Прокариоты имеют на поверхности клеток молекулы адгезии, называемые бактериальными адгезинами, помимо использования ими пилей (фимбрий) и жгутиков для прикрепления к клеткам. Адгезины способны распознавать разнообразные лиганды, присутствующие на поверхности клеток хозяина, а также компоненты внеклеточного матрикса. Эти молекулы также определяют специфичность к хозяину и регулируют тропизм (ткане- или клеточную специфичность взаимодействия) посредством взаимодействия со своими лигандами.
Вирусы
Вирусы также имеют молекулы адгезии, необходимые для связывания вируса с клетками-хозяевами. Например, вирус гриппа имеет на своей поверхности гемагглютинин, который необходим для распознавания сахара сиаловой кислоты на молекулах поверхности клетки-хозяина. ВИЧ имеет молекулу адгезии gp120, которая связывается с лигандом CD4, экспрессируемым на лимфоцитах. Вирусы также могут нацеливаться на компоненты межклеточных контактов, чтобы проникнуть в клетки хозяина, как это происходит, когда вирус гепатита С атакует окклюдины и клаудины в плотных соединениях для проникновения в клетки печени. В связи с ролью молекул клеточной адгезии (КАМ) в метастазировании рака, эти молекулы могут быть потенциальными терапевтическими мишенями для лечения рака. Существуют также другие генетические заболевания человека, вызванные неспособностью экспрессировать специфические молекулы адгезии. Примером является дефицит адгезии лейкоцитов I типа (LAD I), при котором экспрессия β2-субъединицы интегринов снижается или утрачивается. Это приводит к снижению экспрессии β2-интегриновых гетеродимеров, необходимых для прочного прикрепления лейкоцитов к эндотелиальной стенке в очагах воспаления для борьбы с инфекциями. Лейкоциты пациентов с LAD I не способны прикрепляться к эндотелиальным клеткам, что приводит к серьезным инфекционным эпизодам, угрожающим жизни. Автоиммунное заболевание, называемое пемфигусом, также вызвано нарушением клеточной адгезии, поскольку оно возникает в результате аутоантител, направленных против собственных десмосомных кадеринов человека, что приводит к отсоединению клеток эпидермиса друг от друга и образованию пузырей на коже. Патогенные микроорганизмы, включая бактерии, вирусы и простейшие, должны сначала прикрепляться к клеткам-хозяевам, чтобы инфицировать их и вызвать заболевания. Антиадгезионная терапия может быть использована для предотвращения инфекции путем воздействия на молекулы адгезии как на патогене, так и на клетку-хозяина. Помимо изменения продукции молекул адгезии, можно использовать конкурентные ингибиторы, которые связываются с молекулами адгезии, предотвращая взаимодействие между клетками и выступая в качестве антиадгезивных агентов.