Zell-Adhäsion & Extrazelluläre Matrix

1. Zell-Adhäsion&Extrazelluläre Matrix Kapitel 191164 – 1202Christian Knapp 2008

2. Extrazelluläre Matrix (ECM)Netz aus Proteinen und Polysacchariden außerhalb der Zellenkann Haupdeterminante der physikalischen Eigenschaften von Gewebe sein;z.B. Knochen, Haut, Knorpel, Glaskörperentwicklungsgeschichtlich älteste ECM istdie Basallamina

3. Drei Arten der zellbezogen Organisation der Basallamina

4. Basallamina (BL)„zweidimensionale“ Schichthauptsächlich aus Glykoproteinen40-120 nm dickkann Metabolismus, Wachstum, Differenzierung von Zellen beeinflussenmanche Zelle leiten Apoptose ein, sofern kein Kontakt zur BL besteht = „Anchorage Dependence“(gilt für die ECM allgemein)

5. Basallamina von Epithelzellenrasterelektronenmikroskopische Aufnahme

6. Zusammensetzung der BLgewebsspezfisch typische Komponenten in allen BLGlycoproteine: Laminin, Typ 4 Collagen, NidogenProteoglykan: Perlecan

7. Hauptbestandteile der extrazellulären Matrix im Vergleich Protein in grünGlycosaminoglycan in pink

8. BasallaminaAnordnung und Bindungsverhältnisse der Komponenten

9. LamininDas Verbindungsstück zwischen Integrinen und Basallamina

10. LamininOrganisator der BLüber Disulfidbrücken verbundes Heterotrimerzahlreiche unterschiedliche Monomere(jeweils ca. 1500 AS)gewebsspezifische Kombinationenzahlreiche Bindungsdomänen für ECM-Komponenten und Rezeptoren (z.B. Integrine)

11. weitere BL-KomponentenTyp 4 Collagen gibt ZugfestigkeitPerlecan & Nidogen vernetzen BL-Komponentenbei Formen der Epidermolyse „Schmetterlingskrankheit“ sind BL-Komponenten defekt

12. BasallaminaAnordnung und Bindungsverhältnisse der Komponenten

13. Neuromuscular JunctionDie Basallamina lotst die Regeneration nach Zerstörung

14. Integrindynamische Verbindung zwischen extrazellulärer Matrix und Cytoskelett

15. IntegrineZelloberflächenrezeptoren (neben Dystroglykan)für zahlreiche ECM-Komponenten oder Zelloberflächenproteine anderer Zellen(nicht nur für BL)nonkovalentes DimerMonomere sind Transmembran-Glykoproteineunterschiedliche Alpha- & Beta-Ketten24 Kombinationen im Menschen nachgewiesen23 binden an Actinskelett,eines bindet an Keratin in Hemidesmosomen

16. IntegrinRezeptor und dynamischer AnkerAktivierung sowohl von Innen als auch von Außen möglich

17. Integrinkann somit mechanische Signale in beide Richtungen leitenAktivitätszustände basieren auf einer Art allosterischer RegulationTalin-Bindungsstelle auf Beta-Kette wird bei Aktivierung/Entfaltung frei, Talin kann auch mit Alpha-Kette um Bindungsstelle konkurrieren

18. Signalpathway aktiviert IntegrinRezeptoren aktivieren TalinTalin aktiviert Integrin

19. Signalpathway aktiviert Integrinsomit können auch molekular Signale in mechanische Umgewandelt werdenoder umgekehrtZelle kann Anhaftung schnell regulierenz.B. Blutplättchen bei der Gerinnung(Form der Gerinnungsstörung, wenn Integrin defekt) Leukozyten bei der Anhaftung an Blutgefäße(bei „leucocyt adhesion deficiency“ Integrin defekt)Lymphozyten bei der Bindung an APC

20. Lymphozyt bindet APC über Integrinerster Kontakt über IntegrinBindung von T-Zell-Rezeptor an MHC gibt Signal zur Stabilisierung von Integrin-ICAM-Bindung

21. Hemidesmosomverankert Epithelzellen in der BasallaminaAchtung ! KeratinfilamenteDefekt in einer der Komponenten führt zu Epidermolyse

22. Fokale AdhäsionIntegrine haben schwache Affinität zu Ligandenwird kompensiert hohe Konzentration von IntegrinenAnsammlungen von Integrin-Actinskelett-Komplexen sind „focal adhesions“für Verankerung in ECM bzw. Substratenmit Keratinskelett sind es Hemidesmosomefür Verankerung von Epithelzellen in der BL

23. Fokale Adhäsion &Focal Adhesion Kinase FAK verringert die Bindung der Focal Adhesions

24. Focal Adhesion Kinaserekrutiert durch Talinphosphoryliert sich selbst, bietet Bindungsstellen für weitere SignalproteineArt der Umwandlung mechanischer in molekulare SignaleBindungen der Integrine an ECM werden verringert bzw. dynamischerManche Krebszellen exprimieren vermehrt FAK, führt zu mehr Migration

25. manche Signale durch Integrine aufgenommen, werden nur lokal weitergeleitetz.B. für Actinpolymerisierung durch Rho-GTPasenBsp.:während Wachstums eines Axons reagiert Spitze auf Attractants und Repellents in ECM, beeinflusst Wachstumsrichtung dementsprechend

26. Ausbreitungsabhängige ApoptoseZelle bindet mit Integrinen an Fibronectin auf Substratnur wenn Bindungsstellen vorhanden und „verstreut“ sind leitet die Zelle die Apoptose nicht einist in vivo Schutzmechanismus

27. Extrazelluläre Matrix des Bindegewebes

28. Collagen und Fibroblasten der ECMim Rasterelektronenmikroskopandere Komponenten wurden Enzymatisch verdaut

29. Collagen und Fibroblasten der ECMdie ECM wird hauptsächlich von Fibroblasten aufgebautKnochen von Osteoplasten, Knorpel von ChondroblastenGrundsubstanz bilden Glycosaminoglykane (GAG), entweder frei als Hyaluronan oder gebunden als Proteoglykanegegen Druckbelastungeingelagert sind v.a. fibrilläre Proteinev.a. fibrillenbildendes Collagen Typ 1gegen Zugbelastung

30. Hyaluronanbzw. Hyaluronsäureaus bis zu 25.000 Disacchariden zieht Kationen an, hochgradig hydratisiertfaltet sich nicht kompakt, nimmt daher großes Volumen ein

31. Hyaluronaneinziges Glucosaminoglycan ohne Sulfatgruppen undnicht an Protein gebundenbesteht aus bis zu 25.000 Disaccharidenzieht Kationen an, liegt hochgradig hydratisiert vorbehindert Diffusion im allgemeinen nicht (gilt auch für Proteoglykane)wird durch Komplex in der Membran direkt aus Zelle heraussynthetisiert

32. Proteoglykanesind Proteine mit gebundenen GAG-Kettensehr heterogenKernprotein durch Ribosome ins ER synthetisiert, dort und im Golgi-Apparat werden GAG-Ketten angebaut, danach sekretiertGAG-Ketten aus Disacchariden aus Aminozucker und Glucuronsäure, tragen oft Sulfatgruppenebenfalls negativ geladen, hochgrad hydratisiert

33. Proteoglykane im Vergleichund ein Glykoprotein Protein in grün Glycosaminoglycan in pink Decorin vermittelt Bildung von Collagenfibrillen, hat nur eine GAG-Kette

34. Aggrecanbesteht aus ca. 130 GAG-Sulfat-Kettendas Core-Protein besteht aus ca. 3000 ASist der Hauptbestandteil der ECM von Knorpelbildet mit Hyaluronan Aggregate

35. Aggrecan-Hyaluronan-Aggregate100 Aggrecan-Moleküle binden 1 Molekül Hyaluronan nonkovalentMasse ca. 100 MDa (10^8 Da) Volumen entspricht Bakterium

36. Proteoglykanekönnen Aktionsradius, Lebenszeit und Aktivität von Signalmolekülen/Proteasen etc. beeinflussen, durch Bindung oder MonomerisierungBsp.:Chemokine werden an Blutgefäßwand immobilisiert, um Leukozyten anzulockenProteoglykane wirken als Corezeptoren, indem sie Liganden binden und Rezeptoren präsentieren

37. Collagenfibrille eingebettet in GlycosaminoglykanDiffuses Netzwerk aus Proteoglykanen und Hyalurondunkle Bereiche/Punkte sind Coreproteine

38. Collagenrund 25% der Proteinmasse in Säugernv.a. in Haut und Knochenfibrilläres Protein mit Seilstrukturlang und unflexibel zahlreiche IsoformenGene enthalten zahlreiche repetitive AbschnitteTyp 1 Collagen am häufigsten

39. Struktur eines Collagen-MolekülsTriple-Helix aus jeweils 1000 Aminosäuren!keine Alpha-Helix!Jede 3. AS ist Glycin, da Rest ins Innere der Triplehelix ragt.Die anderen AS sind meistens Prolin und Hydroxyprolin.

40. Fibroblast umgeben von CollagenfasernCollagen wird u.a. von Fibroblasten in einem vergrößerten ER synthetisiert.

41. Synthese von Procollagen

42. von Procollagen zur Collagenfaser

43. ProcollagenPro-Alpha-Ketten werden einzeln mit Propeptiden synthetisiert. Durch Propeptide wird das Molekül löslich, außerdem leiten sie Modifikationen im ER/Golgi.Nach Sekretion werden Propeptide durch extrazelluläre proteolytische Enzyme abgespalten. Collagen wird dadurch unlöslich und lagert sich zu Fibrillen zusammen.inter- & intramolekulare Lysin-Crosslinks zwischen Ketten und Collagenen werden gebildet. Besonders viele Crosslinks in Achillessehne

44. Hydroxylierung von Prolinunter Mangel an Ascorbinsäure (Vitamin C) kann Prolin nicht hydroxyliert werdendadurch lagern sich Pro-Alpha-Ketten nicht stabil aneinander und werden noch in Zelle abgebaut.Also kein neues Collagen produziert.Collagen in ECM unterliegt jedoch Turnover.Körper verliert somit Collagen, die Haut wird fragil, Zähne werden locker.Vitamin C Mangelerkrankung heißt Skorbut

45. fibrillenbindendes Collagenvermittelt Fibrillenorganisationnonhelicale Bereiche knicken das Molekül

46. Organisation von Collagenfibrillenim Knochen und in der Haut

47. Ausrichtung der Fibrillenist gewebsspezifischCytoskelett kann Ausrichtung der Fibrillen während Sekretion und in Membrantaschen regulierenandere ECM-Komponenten können gewisse Ausrichtungen unterstützen.oder durch „Ziehen“ im nachhinein

48. Fibroblasten reorganisieren Collagen-GelStücke embryonischen Gewebes auf Substrat mit Collagen-Gel kultiviert.Fibroblasten organisieren Collagen zu CollagenfasernAnnahme:In vivo sekretierenFibroblasten erst Collagen und reorganisieren esdanach

49. Elastin-Fasernaus Elastin; sehr hydrophobes ca. 750 AS Protein, reich an Prolin und Glycin,hat einen „random coil“-Bereich, der für Elastizität verantwortlich istCollagen-ähnliche Synthese,Precursor ist hydrophiles Tropoelastin,wird nach Sekretion quervernetzt.

50. Elastin ist Hauptbestandteil der Aortaca. 50% der TrockenmasseWährend Entwicklung wird Elastin u.a. von Fibrillin organisiert. Defekt führt zu Marfan‘s Syndrom