Строение и функции десмосом
Обновлено: 02.05.2024
Присоединяя клеточную поверхность к сети промежуточных филаментов, десмосомы создают трехмерную конструкцию из белков, которая тянется от поверхности клетки вплоть до ядерной оболочки. Эта конструкция является ключевым фактором стабилизации эпителия в случае касательного напряжения или внешней травмы. В первоначальных морфологических исследованиях десмосома представлялась статичной структурой, «точечной сваркой», функционирующей только для сохранения межклеточной адгезии. В последние три десятилетия были биохимически изучены и клонированы индивидуальные десмосомальные белки, что позволило выяснить как динамическую природу структуры десмосом, так и разнообразие функций десмосомальных белков.
Десмосомальные белки подразделяются на три основных категории: (1) десмосомальные кадгерины (десмоглеины и десмоколлины), (2) белки семейства armadillo (плакоглобин и плакофиллины) и (3) плакины (десмоплакин, энвоплакин и периплакин). Дополнительные белки, такие как Регр, нинеин, казрин и корнеодесмозин также локализованы в десмосомах эпидермиса. Электронная микроскопия с применением иммунологического метода окрашивания золотом еще более углубила понимание того, как эти молекулярные компоненты расположены в десмосоме на ультраструктурном уровне. Десмосомальные кадгерины представляют собой трансмембранные белки, внеклеточные амино-терминальные домены которых, взаимодействуя, образуют транс-адгезивный интерфейс между клетками, которые представлены электронно-плотной средней линией десмоглеи.
Внутри клетки, примерно в 10-20 нм от плазмолеммы, внешняя плотная пластинка содержит цитоплазматические «хвосты» десмосомального кадгерина: плакоглобин, амино-терминальный домен десмоплакина, и плакофиллин. Примерно в 40-50 нм от плазмолеммы карбоксильный конец десмоплакина взаимодействует с промежуточными филаментами кератина, образуя внутреннюю плотную пластинку.
Биохимические характеристики, тип экспрессии и патологии, связанные с каждым из компонентов десмосомы подробно обсуждаются ниже. Хотя специфические физиологические роли и патофизиологические механизмы, влияющие на многие десмосомальные белки, продолжают активно изучаться, полученные к настоящему моменту данные четко указывают на важность десмомом и их компонентов не только для клеточной адгезии.
Типы экспрессии десмосомальных белков в нормальном эпидермисе человека.
SC = роговой слой, SG = зернистый слой, SS = шиповатый слой, SB = базальный слой.
а) Десмосомальные кадгерины. Десмоглеины и десмоколлины являются частью кадгеринового суперсемейства трансмембранных гликопротеинов. Члены этого суперсемейства, к которым относится белок адгезионных контактов Е-кадгерин, опосредуют кальций-зависимую адгезию в ряде эпителиальных тканей. У человека имеется четыре изоформы десмоглеина (Dsg) и три изоформы десмоколлина (Dsc), каждая из них имеет различный тип экспрессии в пределах одного эпителия и в разных видах эпителиальных тканей. В нормальном эпидермисе человека Dsg1, Dsg4, и Dsc1 экспрессированы преимущественно в дифференцированных клетках поверхностного эпидермиса, в то время как Dsg2, Dsg3, Dsc2 и Dsc3 сильнее экспрессированы в базальном и/или супрабазальном слоях. Экспрессия Dsgl и Dsg3 в различных эпителиальных тканях в основном ограничена многослойным плоскоклеточным эпителием кожи и ротоглотки, а также эпителиальными клетками тимуса.
Dsg3 также сильно выражен в плоскоклеточных карциномах и других видах рака в области головы и шеи, где он предлагается в качестве потенциальной молекулярной мишени для терапии. Dsg2 является основной изоформой десмоглеина в большинстве видов простого и переходного эпителия, а также в миоцитах сердечной мышцы. Dsg4 выражен в десмосомах волосяных фолликулов, яичках и простате. Тип экспрессии десмоколлинов человека изучен меньше.
В нормальных тканях экспрессия Dsc1 ограничена, в основном, кожей и эпителием полости рта, в то время как Dsc2 шире экспрессирован в большинстве содержащих десмосомы видов эпителия и является единственной изоформой десмоколлина в ткани сердечной мышцы. Dsc3, подобно Dsg3, наиболее сильно выражен в многослойном плоскоклеточном эпителии кожи и ротоглотки, хотя в базе данных «UniGene» указывается на более слабую экспрессию в ряде других эпителиальных тканей. Переключение экспрессии десмоколлина было описано в случае колоректального рака с подавлением Dsc2 и активизаций Dscl и Dsc3.
Внеклеточные домены десмосомальных кадгеринов состоят из четырех кадгериновых повторов плюс внеклеточный якорный домен, причем каждый из этих компонентов отделен кальций-связывающим мотивом. Все кадгерины синтезируются как препротеины, которые включают амино-терминальную сигнальную последовательность и пропептид. Считается, что пропептид препятствует внутриклеточному скоплению вновь синтезированных кадгеринов в секреторном механизме клетки. Конвертазы препротеина в концевой сети аппарата Гольджи расщепляют кадгериновый пропептид, производя таким образом зрелый адгезивный белок. Хотя кристаллическая структура десмосомальных кадгеринов остается неизвестной, сравнительные исследования структуры десмосом путем криоэлектронной томографии замороженных гидратированных образцов со структурой раствора классических кадгеринов указывают на общие механизмы межклеточной адгезии, при которых консервативный амино-терминальный триптофановый остаток на одной молекуле кадгерина взаимодействует с гидрофобным приемным карманом в первом внеклеточном домене другой молекулы кадгерина на соседней клетке, образуя транс-адгезивный интерфейс.2 Дополнительно, кадгерины могут участвовать в «cis»-взаимодействиях с молекулами кадгерина одной и той же клетки через свои проксимальные мембранные домены, что может упростить сборку десмосом.
Десмосомальные кадгерины участвуют как в гомофильных (напр., Dsg-Dsg или Dsc-Dsc), так и в гетерофильных (напр., Dsg-Dsc) взаимодействиях, хотя считается, что сильной межклеточной адгезии больше всего содействуют гетерофильные взаимодействия.
Цитоплазматические домены десмосомальных кадгеринов менее консервативны. Десмоколлины имеют две сплайсинговые изоформы: а-изоформу полной длины и укороченную b-изоформу. А-изоформы цитоплазматических доменов десмоглеина и десмоколлины могут также непосредственно связывать плакофилины. Все больше данных указывают на то, что десмосомальные кадгерины являются не только адгезивными молекулами, но могут также активно регулировать межклеточную сигнализацию, транскрипцию и другие процессы в клетке. Этот вывод подтверждается также данными о том, что дефицит десмоколлина-3 у мышей вызывает летальность эмбриона на 2,5 день до имплантации, что указывает на центральную роль десмоколлина-3 в раннем морфогенезе тканей вне зависимости от его десмосомальной адгезивной функции.
В дерматологии лучше всего известна роль десмосомальных кадгеринов как аутоантигенов при такой иммунобуллезной патологи, как пузырчатка. Ген десмоглеина-3 был впервые открыт и клонирован, поскольку он является аутоантигеном при вульгарной пузырчатке.). С тех пор все десмосомальные кадгерины ассоциируются с аутоиммунными инфекциями человека и/или генетическими болезнями.
Десмоглеин 1 является мишенью патологического протеолитического расщепления при инфекционных заболеваниях, таких как буллезное импетиго и синдром стафилококковой обожженной кожи, а также при наследственных ихтиозах, ассоциированных с синдромом Нетертона. Расщепление десмоглеина 1 стафилококковым эксфолиативным токсином происходит между внеклеточными доменами 3 и 4. Патогенные аутоантитела к десмоглеину 1 обнаружены при листовидной пузырчатке, слизисто-кожной вульгарной пузырчатке и паранеопластической пузырчатке. Большинство патогенных аутоантител листовидной пузырчатки связывают первые два внеклеточных домена десмоглеина 1, которые частично совпадают с участками, важными для транс-адгезии десмоглеина. Аутосомно-доминантные мутации, вызывающие гаплонедостаточность десмоглеина 1, приводят к ладонно-подошвенной кератодермии (ЛПК). ЛПК при этом классически полосовидная и развивается на участках максимальной травмы или трения, но описаны также очаговая и диффузная формы.
Десмоглеин 2 обнаружен при сердечно-сосудистой патологии у человека в качестве причины аутосомно-доминантной аритмогенной кардиомиопатии правого желудочка (АКПЖ). Отсутствие кожных фенотипов у пораженных пациентов указывает на то, что десмоглеин 2 не требуется для эпидермальной адгезии, вероятно, вследствие компенсаторной адгезии с участием более интенсивно экспрессированных в эпидермисе изоформ десмосомальных кадгеринов.
Десмоглеин 3 является мишенью патогенных аутоантител при вульгарной пузырчатке с поражением слизистых оболочек или слизисто-кожным поражением, а также при паранеопластической пузырчатке. Большинство патогенных аутоантител при вульгарной пузырчатке нацелены на амино-терминальные внеклеточные (ЕС1-2) домены десмоглеина 3. Поскольку дефицит десмоглеина 3 у мышей фенотипически похож на аутоиммунитет к десмоглеину 3 при вульгарной пузырчатке слизистых с супрабазальными эрозиями в полости рта, считается, что аутоантитела к пузырчатке являются причиной утраты функции десмосомального кадгерина. Недавние исследования были сконцентрированы на сигнальных механизмах, активируемых после связывания аутоантител вульгарной пузырчатки с кератиноцитами, так как было показано, что несколько биохимических ингибиторов препятствуют образованию пузырей в модели пассивной передачи аутоантител у новорожденной мыши.
Мутации десмоглеина 4 описаны при редких аутосомно-рецессивных формах гипотрихоза и монилетрикса. У одного пациента наблюдались преходящие эрозии на волосистой части кожи головы в течение первых 2 недель жизни. Большинство мутаций в Dsg4 — это мутации со сдвигом рамки считывания или нонсенс-мутации, которые предсказуемо приводят к гаплонедостаточности, хотя сообщалось также о миссенс-мутациях. Иммунореактивность десмоглеина 4 наблюдается в сыворотке вульгарной пузырчатки и листовидной пузырчатки, но дальнейшие исследования связали этот факт с перекрестной реактивностью аутоантител Dsg1.
Десмоколлин 1 является мишенью аутоантител субкорнеального пустулезного дерматоза при IgA- пузырчатке.
Десмоколлин 2, как и десмоглеин 2, мутирует как в аутосомно-доминантной, так и в рецессивной формах АКПЖ без эпидермального фенотипа у пораженных пациентов.
Мутации десмоколлина 3 обнаружены в одной пакистанской семье с аутосомно-рецессивным гипотрихозом. Аутоантитела к десмоколлину 3 обнаружены также у пациентов с вульгарной пузырчаткой, особенно при наличии вегетативных очагов.
Десмосомальные белки являются патофизиологическими мишенями при аутоиммунных и генетических заболеваниях человека А.
Непрямая иммунофлуоресценция: окрашивание на пищеводе обезьяны сывороткой больного пузырчаткой, которая содержит аутоантитела к десмоглеину 3.
Окрашивание клеточной поверхности и межклеточных пространств диагностическое для пузырчатки.
Б. Полосовидная ладонно-подошвенная керато-дермия ассоциируется с гаплонедостаточностью десмоглеина 1 или десмоплакина.
б) Плакоглобин. Плакоглобин (известный также как γ-катенин) непосредственно связывается с цитоплазматическими хвостами а-изоформ десмоглеина и десмоколлина, а также с Е-кадгерином, основным трансмембранным белком адгезивных контактов в эпидермальных кератиноцитах. Он экспрессирован во всех слоях эпидермиса, а также во всех видах эпителиальных тканей. Плакоглобин, как и плакофилин, является членом семейства armadillo и характеризуется консервативной белковой структурой с головным и хвостовым доменами, примыкающими к многочисленным гомологичным плечевым повторам. Различные домены плакоглобина модулируют его связывание с десмосомальными кадгеринами. Некоторые домены связываются с десмоплакином, соединяя таким образом десмоглеины и десмоколлины с десмоплакином. Плакоглобин может также локализоваться в ядре, где модулирует генную транскрипцию членами семейства TCF/LEF.Хотя большинство описаний десмосом указывают, что с десмоплакином связываются и плакоглобин, и плакофилин, биохимические исследования предполагают, что эти взаимодействия являются взаимоисключающими.
Вероятно, белки семейства armadillo играют более динамические роли в привлечении в пластинку десмосомальных белков, похожих на а-катенин в адгезивных контактах.
Мутации плакоглобина приводят к болезни острова Наксос, аутосомно-рецессивному синдрому в составе диффузной ЛПК, шерстистых волос и аритмогенной кардиомиопатии правого желудочка, которая может проявиться в позднем детском или подростковом возрасте.
в) Десмоплакин. Десмоплакин существует в двух сплайсинговых вариантах РНК: десмоплакин I и II. Неизвестно, выполняют ли различные изоформы разные клеточные функции, однако мутации приводящие к заболеванию, указывают что для нормальной функции десмосом необходим десмоплакин I. Десмоплакин является частью генного семейства плакинов, которое включает белки полудесмосом, такие как антиген буллезного пемфигоида 1 и плектин, а также энвоплакин и пе-риплакин. Как и другие компоненты десмосом, десмоплакин является модульным белком, различные модули которого выполняют разные функции. Одна центральная часть молекулы десмоплакина закручена вокруг центральной части другой молекулы, образуя палочковидный центр. Амино-терминальный головной домен связывается с плакоглобином, а карбоксильный терминальный хвост — с кератином. Следовательно, десмоплакин обеспечивает основную связь между филаментами кератина и десмосомальной бляшкой.
Независимо от его функции в десмосомах, десмоплакин играет также важную роль в развитии, поскольку нулевые по десмоплакину мыши умирают на ранних стадиях эмбриогенеза при Е 6,5 еще до формирования десмосом. С заболеваниями у человека ассоциируется широкий спектр мутаций десмоплакина, которые приводят к различным фенотипическим комбинациям в составе ЛПК (полосовидной или диффузной), дилатационной кардиомиопатии (левого или правого желудочка), шерстистых волос, аномалий ногтей и/или пузырей на коже. Гаплонедостаточность десмоплакина притводит к аутосомно-доминантной полосовидной ЛПК. Аутосомно-рецессивные мутации в десмоплакине описаны в трех семьях из Эквадора с синдромом Карбахал в составе диффузной ЛПК, шерстистых волос и аритмогенной кардиомиопатии левого желудочка. Синдром по типу болезни острова Наксос, включающий ЛПК, шерстистые волосы и АКПЖ, развивается при нонсенс-мутации p.R1267X, которая поражает только сплайсинговую изоформу десмоплакина I, что указывает на недостаточность десмоплакина II для восстановления нормальной функции десмосом в эпидермисе. Летальный акантолитический буллезный эпидермолиз (распространенный эпидермолиз, генерализованная алопеция, анонихия и неонатальные зубы) был вызван сложными гетерозиготными мутациями в десмоплакине, которые привели к утрате хвоста десмоплакина. Кроме того, аутоантитела к десмоплакину обнаруживаются в сыворотке больных с паранеопастической пузырчаткой.
г) Плакофилины. Плакофилины, как и плакоглобин, могут находиться как в плазмолемме, так и в ядре, хотя их функция вне десмосомальной адгезии плохо изучена. Плакофилины непосредственно связываются с десмоплакином и могут также непосредственно связываться с кератином и десмосомальными кадгеринами, что, вероятно, способствует группировке и латеральной стабильности десмосомальной пластинки. Плакофилин-1 ассоциируется также с эукариотическим фактором инициации трансляции eIF4Al в КЭП-структуре мРНК, где он функционирует как регулятор трансляции и клеточной пролиферации.
Мутации в плакофилине-1 вызывают синдром в составе эктодермальной дисплазии и хрупкости кожи, что указывает на роль плакофилина 1 в морфогенезе эпидермиса, а также в адгезии. Мутации плакофилина являются самой частой причиной аутосомно-доминантной АКПЖ. В настоящее время неизвестны заболевания человека, связанные с мутацией плакофилина-3.
д) Другие десмосомальные белки. Энвоплакин и периплакин являются белками десмосомальных пластинок и экспрессированы в поверхностных слоях эпидермиса. Оба белка входят в состав корнеодесмосом рогового слоя. У мышей, дефицитных по энвоплакину, периплакину и инволюкрину, дефектов десмосомальной адгезии не наблюдается, но зато отмечается нарушение десквамации и барьерной функции эпидермиса. Аутоантитела к энвоплакину и периплакину характерны для сыворотки паранеопластической пузырчатки.
Корнеодесмозин — это секретируемый гликопротеин, который входит в состав корнеодесмосом и экспрессирован также во внутреннем корневом влагалище волосяного фолликула. Гетерозиготные мутации в корнеодесмозине ассоциируются с аутосомно-доминантным простым гипотрихозом волосистой части кожи головы. Утрата когезии во внутреннем корневом влагалище и скопление протеолитически расщепленного корнеодесмозина вокруг волосяных фолликулов наблюдаются в биопсиях, взятых с волосистой части кожи головы у пораженных пациентов.
- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Строение базальной мембраны и ее функции"
Строение и функции десмосом
• Основная функция десмосом заключается в обеспечении структурной целостности слоев клеток эпителия за счет связывания их сетей промежуточных филаментов
• Десмосомы являются компонентами контактного комплекса
• В десмосомах находится, по меньшей мере, семь белков. Молекулярный состав десмосом различается в зависимости от типа клеток и тканей
• Десмосомы функционируют как адгезивные структуры и как комплексы передачи сигнала
• Мутации в белках, входящих в состав десмосом, снижают прочность эпителиальных структур. Эти мутации могут оказаться летальными, особенно если они затрагивают структуру кожи
Десмосомы являются компонентом контактного комплекса эпителиальных клеток. Они также присутствуют между клетками неэпителиального происхождения, например клетками миокарда, печени, селезенки и некоторыми клетками нервной системы. В электронном микроскопе можно наблюдать три характерных особенности десмосом:
• Массивные скопления фибрилл, проходящие через щель (в середине десмосомы, около 30 нм в ширину) между плазматическими мембранами двух рядом расположенных клеток.
• Эти фибриллы прикреплены к толстой бляшке электронно-плотного материала, расположенной на цитозольной стороне плазматической мембраны.
• Бляшки, состоящие из электронно-плотного материала, прикреплены к филаментам цитозоля каждой клетки.
Плотный материал, присутствующий на плазматической мембране, состоит из двух структур, внутренней и наружной плотных бляшек. Каждая десмосома довольно мала (средний диаметр составляет около 0,2 мкм), и на участке контакта двух клеток можно видеть несколько десмосом.
Структура десмосомы напоминает подвесной мост: филаменты цитозоля двух соседних клеток связаны между собой посредством внеклеточных филаментов, прикрепленных к «якорным» структурам на плазматической мембране. Поэтому контакт был назван десмосомой, от двух греческих слов: desmos (связь, скрепление, цепь) и soma (тело). Очевидно, что назначение такой структуры состоит в связывании двух клеток друг с другом.
Какими клеточными функциями обладает такой контакт? Вспомним две основные функции контактного комплекса, представленного на рисунке ниже: контроль межклеточного транспорта и обеспечение устойчивости к физическим нагрузкам, которые воздействуют на ткань эпителия. Поскольку десмосомы особенно характерны для клеток, подвергающихся физическим нагрузкам, например для клеток кожи и сердечной мышцы, биологи думали, что в основном им свойственна вторая из вышеуказанных функций.
В соответствии с этим, цитоплазматические филаменты, прикрепленные к плотным бляшкам, были названы тонофиламентами, что должно было отражать приложенную к ним нагрузку (от греч. tonos). Позже оказалось, что эти филаменты являются промежуточными филаментами, т. е. представляют собой основной класс цитоскелетных структур, хотя иногда их все еще называют тонофиламентами.
Помимо фибрилл промежуточных филаментов, в десмосомах идентифицировано, по меньшей мере, еще семь других типов белков, которые организованы в три семейства. Три из них (десмоглеин, десмоколин 1 и десмоколин 2) относятся к подсемейству кадгериновых рецепторов. Эти белки представляют собой основные трансмембранные белки десмосом и являются главными компонентами наружных плотных бляшек.
Белки десмосомы распределяются в плазматической мембране и в двух бляшках,
расположенных на поверхности клеток.
Они образуют «связующие филаменты», проходящие через межклеточное пространство, и служат сайтами связывания для цитоплазматических белков, представителей семейства armadillo (плакоглобина, плакофилинов) и семейства плакина (десмоплакина). Десмоплакин, в свою очередь, связывается с белками промежуточных филаментов во внутренней плотной бляшке.
Тонкая структура десмосомы, а также число образующихся десмосом в разных типах клеток варьирует, что отражает разнообразие нагрузок, которые должны выдерживать клетки.
В общем, десмосому можно уподобить «точечной сварке» двух клеток. Наряду с такой структурной ролью, белки десмосомы также играют важную сигнальную роль на поверхности клеток. Например, плакоглобин представляет собой белок, родственный b-катенину, который связывается с «классическими» кадгеринами адгезивного контакта. b-катенин является структурным белком адгезивного контакта, и также способен передавать сигналы в ядро клетки.
Аналогичным образом, при активации сигнальных рецепторов на поверхности клеток, плакоглобин и плакофилины начинают поступать в ядро, а плакоглобин даже непосредственно связывается с рецепторами фактора роста. В результате этого десмосомы могут контролировать экспрессию многих генов и оказывать существенное влияние на функцию внутриклеточных белков, включая белки других контактов.
Наиболее показательным примером, иллюстрирующим значение функционирования десмосом, является нарушение их структуры. В этом случае слои эпителия становятся очень непрочными, что приводит к легкой травмируемости органов, который они покрывают. Особенно это проявляется в случае кожи, склонной к образованию волдырей.
Под микроскопом видно, что, если между эпителиальными клетками отсутствуют десмосомы, то они плохо организованы, не имеют контактных комплексов и расположены небольшими группами, а не образуют единый непрерывный слой.
При разрушении или утрате десмосомальных контактов развивается ряд заболеваний, которые по своей этиологии подразделяются на две группы. Такие генодерматозы, как, например, ладонно-подошвенная кератодерма или контактный буллезный эпидермолиз, развиваются вследствие мутаций в белках десмосом или полудесмосом соответственно. Аутоиммунные буллезные дерматозы, например вульгарная пузырчатка (pemphigus vulgaris) или буллезный пемфигоид (bullous pemphigoid), возникают, когда у больных образуются аутоантитела к белкам своих десмосом или полудесмосом соответственно.
При болезнях обеих групп наблюдаются глубокие нарушения структуры и функции межклеточных контактов, и заболевание может приводить к смертельному исходу.
Для диагностики и лечения этих заболеваний используют комбинацию методов молекулярной генетики и тканевой инженерии. Мутации в генах белков десмосом обнаруживаются при пренатальном скрининге Это возможно по крайней мере при генодерматозных заболеваниях. При анализе образца плодной ткани методом ПЦР амплифицируется изучаемый ген (например, десмоколин-1). Затем с учетом полиморфизма длины фрагмента рестрикции и/или путем Саузерн-блоттинга анализируется ДНК.
Сейчас методы лечения пациентов с этими заболеваниями в основном сводятся к проведению мероприятий по защите кожных покровов и к соблюдению условий, исключающих образование волдырей. Для больных характерно плохое качество жизни. В настоящее время для лечения болезней, связанных с дисфункцией десмосомальных контактов, исследуется возможность применения искусственной кожи. При замещении поврежденных участков кожи лоскутом, представляющим собой слой здоровых клеток, интегрированных в искусственный внеклеточный матрикс, ученые надеются получить более стабильный и устойчивый к травме кожный покров, способный формировать нормальные десмосомы.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
• Так же как и десмосомы, полудесмосомы обеспечивают структурную устойчивость слоев эпителия
• Полудесмосомы расположены на базальной поверхности эпителиальных клеток, где они связывают внеклеточный матрикс с сетью промежуточных филаментов при участии трансмембранных рецепторов
• Полудесмосомы отличаются от десмосом по структуре и содержат, по меньшей мере, шесть уникальных белков
• Мутации в белках полудесмосом вызывают заболевания, близкие к тем, которые связаны с мутациями в генах белков десмосом
• Сигнальные процессы, регулирующие сборку полудесмосом, исследованы недостаточно
Полудесмосома представляет собой клеточный контакт, расположенный с базальной стороны плазматической мембраны эпителиальных клеток. Как показано на рисунке ниже, эта структура является комплексом, содержащим бляшки, переплетенные филаментами, и внешне выглядит как половина десмосомы.
Однако, несмотря на внешнее сходство, полудесмосомы не являются половиной десмосомы. Их основная функция заключается в прикреплении слоев эпителия к базальной ламине. Это служит еще одной чертой, отличающей полудесомому от десмосомы. В то время как обе структуры скрепляют слои эпителия вместе, в клетке они ориентируются под прямым углом по отношению друг к другу и, таким образом, противостоят различным типам механического стресса. Оба типа этих структур, связанные вместе промежуточными филаментами, образуют очень прочную сеть.
Отсутствие полудесмосом вызывает образование волдырей на поверхности ткани разных эпителиев и в том числе на коже, и такие заболевания могут заканчиваться смертельным исходом.
На рисунке ниже схематически представлено строение полудесмосомы. На цитоплазматической стороне «типичной» (тип I) полудесмосомы можно видеть пучок промежуточных филаментов (кератины 5 и 14), прикрепленных к внутренней бляшке. Эта бляшка включает белки ВР230 и HD1/плектин, связанные с белками промежуточных филаментов.
Наружная бляшка содержит два типа трансмембранных белков: интегриновый рецептор (α6β4) и представитель семейства коллагенов (известный как коллаген XVII или ВР180). От плазматической мембраны через lamina lucida в lamina densa тянутся филаменты, выполняющие якорную функцию и состоящие из ВР180 и ламинина-5, который представляет собой белок внеклеточного матрикса).
В lamina densa находится много различных ламинарных белков. Наконец, заякоривающие фибриллы, состоящие из коллагена VII, соединяют lamina densa с суббазальной lamina densa, состоящей из нескольких белков внеклеточного матрикса. В некоторых тканях, например в кишечнике, обнаружены полудесмосомы типа II, в которых белки ВР180 и ВР230 отсутствуют.
Несмотря на критическую роль, которую играют десмосомы в обеспечении поддержания архитектуры ткани, они не представляют собой статических структур. Например, при ранении кожи происходит отсоединение клеток от нижележащей базальной ламины и их перемещение в раневую область. Там они вступают в деление, восстанавливают популяцию клеток в раневой области, и затем снова прикрепляются к базальной ламине и друг к другу. Эти изменения фенотипа предполагают способность клеток к диссоциации и реассоциации контактов с матриксом и между собой. К числу таких контактов относятся полудесмосомы и десмосомы соответственно.
Один из механизмов сборки и разборки полудесмосом подтверждается экспериментами, проведенными с культурой клеток эпителия и на модели заживления раны in vitro. Результаты показывают, что при миграции клеток белки полудесмосом остаются в комплексе, который в ходе эндоцитоза интернализуется. Позже, когда клетки опять присоединяются к базальной ламине, эти комплексы снова поступают на поверхность клетки, и структура полудесмосомы восстанавливается.
Вероятно, критическую роль в сборке полудесмосом играют α6β4 интегриновые рецепторы. При добавлении к клеткам антител, блокирующих связывание α6β4 интегрина с внеклеточным лигандом (ламинином-5), на поверхности клеток не происходит образования полудесмосом. Другими экспериментами показано, что в процессе сборки полудесмосом, видимо, участвует дефосфорилирование α6 цепи интегринового рецептора. В настоящее время ведутся исследования по выяснению природы внутриклеточных сигнальных путей, ответственных за регуляцию фосфорилирования интегринового рецептора и за сборку и разборку полудесмосом.
Полудесмосомы являются специализированными структурами, формирующимися в местах контакта эпителиальных клеток и внеклеточного матрикса, называемого базальной ламиной.
Для полудесмосомы характерно скопление нитчатого материала, который заканчивается плотной бляшкой на поверхности клетки. Полудесмосомы присоединяются к базальной мембране,
которая состоит из базальной ламины и сети коллагеновых фибрилл.
Строение и свойства адгезивных контактов клеток
• Адгезивные контакты представляют собой семейство близких поверхностных доменов, которые связывают соседние клетки друг с другом
• Адгезивные контакты содержат трансмембранные кадгериновые рецепторы
• Наиболее полно изученный адгезионный контакт, называемый опоясывающим зональным контактом, или адгезивным пояском (zonula adherens), расположен в контактном комплексе, который образуется в некоторых тканях между соседними эпителиальными клетками
• В опоясывающем зональном контакте адаптерные белки, которые называются катенинами, связывают кадгерины с актиновыми филаментами
Адгезивные контакты представляют собой компоненты контактного комплекса, благодаря которому скрепляются между собой клетки эпителия и эндотелия. В электронном микроскопе адгезивные контакты выглядят в виде темных утолщенных полос, расположенных в примыкающих областях плазматической мембраны соседних клеток, связанных стержнеобразными структурами, простирающимися в межклеточное пространство. На представлен наиболее полно исследованный адгезивный контакт, называемый опоясывающий зональный контакт, или адгезивный поясок (zonula adherens) В комплексе, формирующемся между некоторыми эпителиальными клетками, он располагается непосредственно под плотным контактом.
(Исследователи, впервые обнаружившие этот контакт, назвали его «опоясывающей десмосомой» из-за внешнего сходства с большой десмосомой. Сейчас мы знаем, что этот контакт отличается от десмосомы, и поэтому старое название больше не используется.) Другие примеры адгезивных контактов включают контакт в синапсе между нейронами ЦНС, контакт во вставочных дисках между клетками миокарда, и контакт между слоями миелиновой оболочки, окружающей периферические нервы.
Несмотря на свое местоположение, адгезивные контакты имеют два общих свойства. Во-первых, они содержат трансмембранные белки-рецепторы, которые называются кадгерины. Эти белки связываются с одноименными белками, расположенными на соседних клетках. Связывание рецепторов, расположенных на одной клетке, с такими же рецепторами другой называется гомофильным связыванием.
Предполагается, что этот тип связывания играет важную роль в обеспечении клеточной организации ткани, способствуя возникновению специфического взаимодействия клеток между собой. Это можно проиллюстрировать, экспрессируя гены двух различных кадгериновых рецепторов в двух разных популяциях одних и тех же клеток, поместив эти популяции в одну чашку Петри. Через несколько часов клетки самоорганизуются в группы, экспрессирующие тот или иной рецептор.
Если к культуре добавить антитела, блокирующие сайты гомофильного связывания кадгеринов, то группы клеток не образуются.
Димеры кадгериновых рецепторов, участвующие в адгезивных контактах, содержат пять внеклеточных доменов, которые полностью обеспечивают гомофильное связывание. Как показано на рисунке ниже, возможны три отдельных перекрывающихся положения этих доменов. Наиболее прочное связывание происходит, когда рецепторы перекрываются антипараллельно и полностью, в то время как их частичное перекрывание обеспечивает более слабые взаимодействия.
При изменении числа кадгериновых рецепторов на поверхности клеток может меняться прочность их связывания с соседними клетками; этот процесс называется модуляцией связывания. Мы не располагаем данными в пользу того, что кадгерины претерпевают конформационные изменения, приводящие к изменению сродства и контролирующие прочность связывания адгезивных контактов. Такие конформационные изменения известны под названием модуляции сродства и характерны для интегриновых рецепторов.
Второе свойство адгезивных контактов связано с тем, что они оказываются достаточно сильными для того, чтобы изменять форму ткани и/или противостоять силам сдвига. Например, как схематически показано на рисунке ниже, в связывании цитоплазматических хвостов кадгериновых рецепторов с пучками актина в опоясывающем зональном контакте участвуют якорные белки, известные под названием катенины. В свою очередь, актиновые филаменты этих пучков присоединены к миозиновым белкам, которые обеспечивают им возможность скользить по отношению друг к другу.
Считается, что это приводит к сокращениям, меняющим форму апикального полюса эпителиальных клеток. Это может быть важно, например, при развитии нервной трубки, когда за счет инвагинации эпителиальных клеток закрывается ее желобок.
Наряду с адгезивными функциями, обусловленными присутствием кадгерина, адгезивные контакты также участвуют в специфических процессах неизвестной природы. На основании генетических экспериментов на плодовой мушке предполагается, что в формировании морфологически четких опоясывающих зональных контактов участвуют белки, отличные от кадгеринов и катенинов. Эти дополнительные белки могут также регулировать сборку цитоскелета на сайтах, расположенных на значительных расстояниях от самих адгезивных контактов. Например, они могут участвовать в формировании полярности эпителиальных клеток, и, таким образом, косвенно влиять на сборку других клеточных контактов, включая плотные. В настоящее время исследователи пытаются выяснить, каким образом это происходит.
Опоясывающий зональный контакт является частью контактного комплекса.
С цитоплазматической стороны плазматической мембраны к контакту примыкают актиновые пучки.
Кадгерины образуют стержневые структуры между клетками и связываются с актиновым цитоскелетом через якорные белки, такие как катенины. Каждый тип адгезивных контактов прочно удерживает соседние клетки вместе Клетки, экспрессирующие идентичные кадгериновые рецепторы, селективно связываются между собой.
Такое гомофильное связывание играет важную роль в формировании тканей в процессе развития. Кадгериновые белки образуют димеры, которые связываются друг с другом.
Показаны три типа взаимодействия кадгеринов.
Прямые измерения силы взаимодействия показывают,
что наибольшей степени перекрывания соответствует максимальная прочность связывания.
Десмосома (macula adherens, spot desmosome)
Десмосома -- один из типов межклеточных контактов, обеспечивающих прочное соединение клеток. Они обнаружены в различных тканях позвоночных и беспозвоночных животных - эпителиях, эндотелии, мезотелии, в культуре печеночных клеток, а также между отростками одной и той же клетки.
Десмосомы образуются между клетками тех тканей, которые могут подвергаться трению, растяжению и другим механическим воздействиям. В межклеточной щели в области десмосомы располагается электронно-плотный слой, образованный взаимодействующими молекулами интегральных гликопротеинов плазмолемм соседних клеток. Со стороны цитоплазмы к десмосомам прикрепляются промежуточные филаменты, которые формируют в цитоплазме сеть, обладающий большой прочностью на разрыв. Через десмосомы промежуточные филаменты соседних клеток объединяются в непрерывную сеть, охватывающую всю ткань.
Десмосома состоит из белков клеточной адгезии из семейства кадгеринов и соединительных (адапторных) белков, которые соединяют их с промежуточными филаментами. Белки клеточной адгезии, формирующие десмосомы-- десмоглеин и десмоколлин. Как и другие кадгерины, эти трансмембранные белки имеют по пять внеклеточных доменов и являются кальцийсвязывающими. Они обеспечивают гомофильное соединение клеток -- между собой соединяются две одинаковые по строению молекулы белка. Внутриклеточный белок десмоплакин (при участии еще двух белков, плакофиллина и плакоглобина) соединяет внутриклеточные домены десмоглеина с промежуточными филаментами.
Плакоглобин (белок с молекулярной массой 83 кД, обнаруживающийся в адгезионных межклеточных контактах) возможно является центральным пунктом в формировании десмосомы и прикреплении цитокератиновых филаментов. Тип промежуточных филаментов зависит от типа клеток: в большинстве эпителиальных клеток к десмосомам прикреплены кератиновые промежуточные филаменты; в клетках сердечной мышцы - десминовые промежуточные филаменты.
Рис 4 Десмосомы. а - положение десмосом в эпителиальных клетках.
б - структура десмосомы
4 - промежуточные филаменты
1 - плазмалемма контактирующей клетки
2 - слой десмоглеина
3 - слой десмоплакина
Десмосомы обеспечивают механическую прочность, необходимую для поддержания целостности эпидермиса. Система десмосом и промежуточных филаментов в других тканях, по-видимому, имеет сходную роль.
Под световым микроскопом десмосомы (рис. 1) имеют вид тонких мостиков, соединяющих противоположные края контактирующих клеток. Существенными их элементами являются симметричные дифферентированные участки цитоплазматических мембран протяженностью в среднем 0,2 - 0,5 мкм, разделенных межклеточным пространством шириной 18 - 35 нм.
Рис 5. Десмосома. Электронная микрофотография
Общая площадь, занимаемая десмосомами, может составлять до 5 % поверхности цитоплазматической мембраны. На микрофотографиях тонких поперечных срезов демосом, по центру межклеточного пространства достаточно часто выявляется зигзагообразный слой, который краями своих складок связывает противоположные участки контактных мембран. При увеличении разрешения этот слой выглядит фрагментированным - в виде выстроенных в ряд, нерегулярно расположенных «глобул» диаметром 11 - 16 нм.
Читайте также: