Uniones celulares, adhesión celular, matriz extracelular. PDF

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Summary

Uniones celulares de anclaje, oclusivas, GAP y transmisoras de señales. Cadherinas. Integrinas. Inmunoglobinas. Desmosomas. Hemidesmosomas. Lamina basal y funcionalidad. Contactos focales. Interacciones celula matriz in vitro. Componentes de matriz (colágeno, proteoglucanos, GAG, Elastina, Fibronec...

Description

Las células se cohesionan y forman una estructura pluricelular organizada. De todas las interacciones sociales que establecen, las más importantes son aquellas que les permiten mantenerse unidas y controlar la arquitectura del organismo: la forma, la resistencia y la disposición de sus diferentes tipos celulares. Son esenciales para cada aspecto de la organización, función y dinámica de las estructuras pluricelulares las:  Las uniones celulares generan vías de comunicación y las organizan estructuralmente en un tejido, ya que conectan los citoesqueletos de las células vecinas.  La adhesión con otras células y con la matriz extracelular controla la orientación de la estructura interna de cada célula.  La matriz extracelular (MEC) es una red compleja de proteínas y cadenas de polisacáridos secretadas por las células. Los tejidos animales son muy variados, pero se pueden clasificar en dos grandes grupos. En los tejidos conjuntivos o de sostén (huesos, tendones, tejido cartilaginoso, musculo, etc.) la MEC es muy abundante y las células están esparcidas dentro de ella. La matriz es rica en polímeros fibrosos, principalmente colágeno, y es la principal responsable de la respuesta a las tensiones mecánicas a las que está sujeto el tejido. Las interacciones directas entre células son poco frecuentes y la unión de estas a la matriz permite mantener una tracción mutua. El colágeno es la proteína fibrilar más abundante de la MEC y puede ser de diferentes tipos (colágeno tipo I, II, III y IV). Por otro lado, en los tejidos epiteliales (revestimientos del intestino, la cubierta epidérmica de la piel, etc.) las células se encuentran muy unidas a otras formando los epitelios. La MEC es muy escasa y está constituida por un delgado entramado denominado lámina basal (o membrana basal) que se localiza en la base de los epitelios permitiendo su anclaje, justo antes del tejido de sostén; está constituida por colágeno tipo IV en forma reticular. Dentro de los epitelios, las células se unen entre sí mediante diversos tipos de adhesiones intracelular, a las que se anclan los filamentos del citoesqueleto, transmitiendo tensiones intracelulares desde un lugar de adhesión a otro punto de adhesión. Las dos principales maneras mediante las que se unen las células animales. En el tejido conjuntivo, la matriz extracelulares el principal componente que soporta las tensiones. En el tejido epitelial, esta función es ejercida por el citoesqueleto de la propia célula, el cual está unido al de otras células adyacentes por uniones de anclaje. Las adhesiones célula-matriz unen el tejido epitelial con el tejido conjuntivo subyacente.

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La lámina basal permite la supervivencia del tejido epitelial, actuando como soporte, donando nutrientes a partir de la vascularización subyacente y despertando las señales de supervivencia. Suele suceder que cuando una célula no está completamente anclada a la misma, comienza el proceso de apoptosis (proceso fisiológico normal) y muere. En otras palabas, las células diferenciadas se mueren por apoptosis excepto que reciban señales de supervivencia desde la lámina basal. Esto es importante cuando se desea despertar señales de supervivencia en el cultivo celular.

UNIONES CELULARES: Se distinguen cuatro tipos principales, cada uno de los cuales se diferencian en sus bases moleculares, según: A. Uniones de anclaje: incluyen adhesiones intercelulares y célula-matriz, que transmiten tensiones y son sostenidas por los filamentos del citoesqueleto intracelular. Las uniones de anclaje célula-célula están dadas por la proteína transmembrana cadherina, mientras que las uniones de anclaje célula-matriz están dadas por la proteína transmembrana integrina. B. Uniones oclusivas: sellan los espacios entre las células epiteliales constituyendo una barrera impermeable (o selectivamente permeable), y están constituidas por la proteína llamada claudina. C. Uniones formadoras de canales (GAP): generan conductos que comunican los citoplasmas de las células adyacentes; están dadas por conexinas o inexinas. D. Uniones transmisoras de señales: permiten transmitir señales de célula a célula a través de sus membranas plasmáticas en las regiones de contacto célula-célula (como sucede en las neuronas); y están dadas por la relación entre proteínas de anclaje y proteínas de transducción de señales. Hay que destacar que las uniones de anclaje, las oclusivas y las formadoras de canales, por vías distintas, también desempeñan un papel importante en la transmisión de señales. Cuatro clases de uniones celulares en tejidos animales. (A) Las uniones de anclaje. (B) Las uniones oclusivas sellan los espacios entre las células epiteliales. (C) Las uniones formadoras de canal forman conductos a través de los cuales moléculas pequeñas e iones pasan de una célula a otra. (D) Las uniones transmisoras de señal son estructuras complejas formadas por varias proteínas.

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Es importante destacar que, dentro de las uniones de anclaje, las uniones dadas por los filamentos de actina no son tan estables y se las consideran como transitorias, mientras que en las que participan los filamentos intermedios son mucho más estables y permanentes.

DISPOSICIÓN DE LAS UNIONES EN TEJIDO EPITELIAL DE VERTEBRADO: La siguiente imagen ilustra esquemáticamente los tipos de uniones que se visualizan en una sección de epitelio maduro al microscopio electrónico y muestra cómo están distribuidas las adhesiones intercelulares. Se observa una disposición típica en un epitelio simple como es el caso del revestimiento del intestino delgado de un vertebrado, formando una única capa de células altas apoyadas sobre una lámina basal, con su cara más externa (apical) libre y expuesta al medio extracelular. En sus lados (caras laterales) se forman las uniones con las células adyacentes. La cara inferior se conoce como basal. Cerca del ápice se encuentran las uniones oclusivas que evitan que se puedan filtrar moléculas a través de los espacios intercelulares del epitelio, obligando a que pasen por el interior celular y sellando la MEC. Por debajo, se localizan las uniones adherentes, que son regiones de anclaje con los filamentos de actina, y los desmosomas, regiones de anclaje para los filamentos intermedios. Más abajo, se encuentran las uniones formadoras de canales de tipo gap. Otro grupo de adhesiones anclan las células epiteliales a la lámina basal. Estas adhesiones célula-matriz se clasifican según sus conexiones con el citoesqueleto en: adhesión célula-matriz dependiente de actina, que anclan los filamentos de actina a la matriz, y hemidesmosomas, que anclan los filamentos intermedios. Resumen de las diferentes uniones celulares en células epiteliales de vertebrado, clasificadas según sus funciones principales. En el dominio más apical de la célula, la disposición de las uniones es bastante común para todos los epitelios de vertebrados. La unión estrecha ocupa la posición más apical, seguida de la unión adherente (banda de adhesión) y de una fila de desmosomas en disposición paralela, en conjunto, estas estructuras forman el denominado complejo de unión. Las uniones de tipo gap y otros desmosomas se encuentran menos organizados. El esquema está basado en células epiteliales del intestino delgado.

UNIONES DE ANCLAJE En cada una de las uniones de anclaje, el papel principal siempre lo desempeñan las proteínas transmembranas de adhesión, las cuales atraviesan la membrana y presentan un dominio intracelular unido al citoesqueleto (facilitado por proteínas intermediarias) y un dominio extracelular unido a otras estructuras (que pueden ser proteínas de la membrana plasmática de las células vecinas o a componentes de la MEC). En las uniones intercelulares hay contactos del tipo proteína-proteína, mientras que en las uniones con la MEC la unión es entre las proteínas y los componentes de la misma. Se considera al anclaje como una unión definitiva y la adhesión como uniones parciales o transitorias. Estas moléculas transmembrana asociadas al citoesqueleto se dividen en dos superfamilias que se corresponden con los dos tipos básicos de anclaje extracelular. Las proteínas implicadas son: 1. Uniones célula-célula: dada por proteínas llamadas cadherinas y proteínas accesorias al anclaje. 2. Uniones célula-matriz: dada por proteínas llamadas integrinas y proteínas accesorias al anclaje. 3

Las proteínas transmembrana de adhesión unen el citoesqueleto a estructuras extracelulares. El enlace externo puede ser otra célula (anclaje intercelular, mediado normalmente por cadherinas)o bien la matriz extracelular (anclaje célula-matriz, mediado normalmente por integrinas). Por lo general el enlace interno al Citoesqueleto es indirecto, mediante proteínas intracelulares de anclaje.

Dentro de cada familia existen especializaciones: algunas cadherinas se unen a filamentos de actina y forman uniones adherentes, mientras que otras se unen a filamentos intermedios formando desmosomas. Del mismo modo, algunas integrinas se unen a actina y forman las adhesiones célula-matriz dependiente de actina, mientras que otras se unen a los filamentos intermedios formando los hemidesmosomas.

UNIONES DE ANCLAJE CÉLULA-CÉLULA UNIONES ADHERENTES - CADHERINAS TIPOS DE CADHERINAS: Las cadherinas reciben su nombre de su dependencia de iones de Ca2+: la eliminación del Ca extracelular provoca que las uniones por cadherinas se desorganicen posibilitando, en algunos casos, que las células se separen. En otros casos es necesario un tratamiento más severo como combinar la eliminación de Ca con la adición de proteasas como la tripsina, en un proceso llamado “tripsinisacion”. Las proteasas degradan las adhesiones mediadas por la MEC y por moléculas de adhesión intercelular que no dependen del Ca. En cualquier caso, cuando las células disociadas se colocan en medio de cultivo normal, las adhesiones se reconstruyen y las células vuelven a unirse entre sí. Las cadherinas son una gran familia que incluyen proteínas clásicas y no clásicas. Las tres primeras cadherinas caracterizadas fueron denominadas según los tejidos donde se localizaron: la E-cadherina se encontró en los tejidos epiteliales, la N-cadherina en las neuronas, fibras musculares y células del cristalino, y la P-cadherina en las células placentarias y epidérmicas. Sin embargo, hoy se sabe que cualquiera de ellas puede encontrarse en otros tejidos. Estas y 4

otras cadherinas clásicas presentan cierta homología en sus dominios extra e intracelulares, además de tener funciones adhesivas y de señalización. Las cadherinas no clásicas son menos homologas entre sí y agrupan a proteínas con capacidad adhesiva reconocida, tales como protocadherinas localizadas en el cerebro y desmocolina y desmogleina formadoras de los desmosomas. También incluyen proteínas implicadas en la señalización como la T-cadherina y las proteínas Fat y Flamingo que regulan respectivamente el crecimiento epitelial y la polaridad celular.

La superfamilia de las cadherinas. El diagrama muestra algunas de las diferencias existentes entre miembros de la superfamilia de las cadherinas. Todas ellas presentan porciones extracelulares que contienen varias copias del dominio cadherina (óvolos verdes), pero sus zonas intracelulares son más diversas, lo que refleja Interacciones con una gran variedad de señales Intracelulares, tales como moléculas de señalización o moléculas que anclan las cadherinas al citoesqueleto. Los diferentes colores en Fat, Flamingo y Ret representan los dominios conservados que se encuentran en otras familias de proteínas.

Para conocer la función de cada cadherina se hicieron ratones knock-out y se observaron patologías causadas, según:

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ADHESIONES MEDIDAS POR CADHERINAS: Las uniones se clasifican en:  Homofílica: dadas entre proteínas iguales (como las cadherinas)  Heterofílicas: dadas entre proteínas diferentes (como las uniones ligandoreceptor).

Uniones homofílicas y uniones heterofílicas. Por lo general las cadherinas se unen de forma homofílica; otras moléculas de adhesión se unen de forma heterofilica.

La unión mediada por cadherinas es de tipo homofílica: las moléculas de cadherina de un subtipo específico expresadas por una célula interaccionan con moléculas del mismo subtipo, u otro muy parecido, expresadas por las células adyacentes.

Estructura de la unión: La interacción se da entre los extremos N-terminales de las cadherinas. En dicho extremo, la proteína forma una protuberancia o nudo, adyacente a una invaginación, de manera que las moléculas de cadherinas que emergen desde las membranas celulares opuestas se unen mediante la inserción del nudo de una en la invaginación de la otra. Se dice que los dominios extracelulares extendidos forman un “puente” que une las células. Generalmente se presentan regiones extracelulares que consisten en varias copias de un motivo denominado “dominio cadherina”. Cada uno de estos dominios forma una unidad más o menos rígida que se une al siguiente dominio cadherina mediante una región bisagra. Los iones de Ca2+ se unen cerca de cada región bisagra impidiendo la flexión, de manera que el conjunto de los dominios cadherina se comportan como una barra rígida, aunque ligeramente curvada. Cuando el Ca2+ es eliminado, las regiones bisagra se pueden flexionar y el conjunto de la estructura se vuelve flexible, por lo que la unión proteína-proteína se desestabiliza y las cadherinas son rápidamente degradas por enzimas proteolíticas. Se dice que existe un equilibrio entre la forma extendida y la no extendida, que varía según la cantidad de Ca2+. Esto explica que, en la práctica, para despegar las células hay que eliminar el calcio del medio usando un quelante (en la concentración adecuada que elimine todo el calcio pero que no mate a las células). Se usan soluciones con tripsinas (proteasas) y EDTA. Las cadherinas se unen a otras cadherinas con una afinidad relativamente baja. Para que la unión sea fuerte se deben formar muchas de estas uniones débiles al mismo tiempo. Cuando se unen a sus parejas intercelulares, a menudo las moléculas de cadherinas se agrupan de forma lateral con otras cadherinas de las mismas células. De esta manera, un gran número de moléculas de cadherina agrupadas lateralmente colaboran formando una unión de anclaje. La fuerza de esta unión es mucho mayor que la de cualquier enlace intermolecular individual y se lo conoce como “principio Velcro” dado que pueden unirse y separarse de a una por vez.

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(A) Estructura y función de las cadherinas. (A) Dominio extracelular de una cadherina clásica (C-cadherina) e hipótesis sobre el tipo de unión homofílica de dos moléculas de cadherina de células opuestas: extremo con extremo. Estructura obtenida por difracción de rayos X del dominio extracelular de una C-cadherina cristalizada. (B) La región extracelular de cada uno de los polipéptidos consiste en una serie de dominios compactados llamados repeticiones de tipo cadherina, los cuales están unidos por regiones flexibles tipo bisagra 2+ que evitan, junto con el Ca que se une a ellas, que la molécula se flexione. En ausencia de Ca, la molécula se vuelve flácida y la adhesión no se produce. (C) En una unión típica, varias moléculas de cadherina se disponen en paralelo funcionando como un velcro que las mantiene unidas. Se supone que las cadherinas de una misma célula se emparejan lateralmente en sus regiones N-terminales, y a través de la unión de sus colas intracelulares mediante otras proteínas (no se muestra).

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La formación y ruptura de las uniones de anclaje desempeña un papel vital en el desarrollo y en la constante renovación de los tejidos.

EJEMPLOS DE UNIONES MEDIADAS POR CADHERINAS: Las cadherinas median un reconocimiento altamente específico por el cual se unen las células del mismo tipo y permanecen segregadas de otros tipos celulares, lo cual se debe a que sus anclajes son homofílicos. Este sistema selectivo se descubrió con la observación de que las células provenientes de un mismo órgano o de un mismo embrión, tendían a reagruparse entre sí y no a células provenientes de otras localizaciones. Estos resultados sugieren que en los animales la arquitectura tisular está dada por una organización activa y se mantiene por el sistema de afinidades que existen entre las células y con la MEC. En un embrión en desarrollo se pueden seguir las células mientras se diferencian y se puede observar cómo se desplazan o se reagrupan mediante adhesiones selectivas formando nuevas estructuras. Por ejemplo, en los embriones de vertebrados las células de la cresta neural abandonan el epitelio del tubo neural, del cual forman parte inicialmente, y migran a lo largo de vías específicas a otras regiones. Allí se reagrupan con otras células formando diversos tejidos, incluido el sistema nervioso periférico. Las cadherinas desempeñan un papel esencial en el proceso de selección, contacto guiado y ensamblaje tisular. Las N-cadherinas son las implicadas en la diferenciación celular a nivel del sistema nervioso (formando las crestas migrantes).

Dispersión y agrupamiento selectivos de células formando diferentes tejidos en un embrión de vertebrado . Algunas de las células que al principio forman parte del tubo neural alteran sus propiedades adhesivas y se segregan del epitelio formando la cresta neural en la parte superior del tubo neural. Posteriormente, las células migran y dan lugar a diversos tipos celulares y tejidos en el embrión. Aquí se muestran agregándose y diferenciándose formando dos grupos de neuronas, denominados ganglios, en el sistema nervioso periférico. Mientras que algunas células de la cresta neural se diferencian en neuronas del ganglio, otras lo hacen en células satélites (células gliales especializadas en dar soporte) que rodean a las neuronas. El cambio de patrón de expresión de moléculas de adhesión permite estos ajustes estructurales.

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Además, la aparición y desaparición de cadherinas específicas están correlacionadas con las etapas del desarrollo embrionario en las que las células se reagrupan y cambian sus contactos dando lugar a nuevas estructuras tisulares. Así, por ejemplo, mientras se forma el tubo neural y se separa el ectodermo, las células de este tubo pierden la expresión de E-cadherina y adquieren la expresión de otras (N-cadherina) mientras el ectodermo sigue expresando E-cadherina. Después, cuando las células de la cresta neural migran desde el tubo neural, estas cadherinas difícilmente son detectables, mientras que la cadherina-7 mantiene unidas a las células en migración. Por último, cuando las células se agregan formando un ganglio, vuelven a expresar N-cadherina.

Cambios de patrón de expresión de las cadherinas durante la construcción del sistema nervioso. Con el cambio de expresión génica, los diferentes grupos de células sesegregan unos de otros según las cadherinas que expresan.

Estudios realizados en cultivo celular sostienen la hipótesis de que la unión homofílica de las cadherinas controla estos procesos de segregación tisular. Por ejemplo, si las células de la línea de fibroblastos (células L), que no expresan cadherinas, son transfectadas con DNA que codifica para la E-cadherina, adquieren la capacidad de adherirse y está adhesión es inhibida por anticuerpos anti-E-cadherina. Si se mezclan células L que expresan diferentes tipos de cadherinas, estás se segregan o agregan selectivamente, indicando que diferentes cadherinas se unen de manera preferencial con las de su mismo tipo. Si se mezclan células L que expresan diferentes cantidades de la misma cadherina, tiene lugar una segregación celular del mismo tipo. Por lo tanto, parece probable que las diferencias cuantitativas y cualitativas en la expresión de las cadherinas participan en la organización de los tejidos. Segregación celular dependiente de cadherinas. Las células en cultivo pueden segregarse según el tipo y la concentración de las cadherinas que expresan. El proceso se puede visualizar marcando las diferentes poblaciones celulares con diferentes colorantes. (A) Las células que expresan N-cadherina se segregan de lasque expresan Ecadherina. (B) Células con una alta ...