Gaetano Odierna » 11.Giunzioni cellulari e adesione cellulare

Adesione cellulare

La pluricellularità nei Metazoi prevede necessariamente che le cellule siano in contatto tra loro e con la matrice extracellulare. E’ necessario, pertanto, la presenza di sistemi di giunzioni che coinvolgono proteine integrali di membrana che legano sia elementi del citoscheletro sia della matrice extracellulare.

Classificazione delle giunzioni

Tradizionalmente le giunzioni cellulari vengono classificate in base alla funzione da loro svolta. Si distinguono pertanto:

• giunzioni occludenti;
• giunzioni ancoranti;
• giunzioni comunicanti.

Giunzioni cellulari: il modello delle cellule epitali

Dal punto di vista didattico le cellule del tessuto epiteliale rappresentano un ottimo modello per lo studio delle giunzioni. Nelle cellule di tale tessuto sono presenti e abbondanti le tight junction o giunzioni strette o zonula occludens o fasci occludenti, le zonula adherens o fasce aderenti, i desmosomi, gli emidesmosomi e le gap junctions o giunzioni serrate.

In tali cellule si distingue la parte apicale che è  quella rivolta verso l’esterno, e quella laterobasale che è quella che rivolta verso i liquidi extracellulari (ECF – Fluidi ExtraCelllulari).

Localizzazione delle giunzioni cellulari nelle cellule epiteliali

Tra le cellule epiteliali dall’esterno all’interno ritroviamo:

• le giunzioni tight;
• le fasce di adesione;
• i desmosomi;
• le gap junctions;
• gli emidesmosomi.

Tight junctions: giunzioni occludenti

Le giunzioni tight sono giunzioni cellula – cellula calcio – indipendenti. Le giunzioni tight sono mostrate schematicamente (a sinistra), in micrografia elttronica (al centro) e in crio – frattura ( a destra).

Modello schematico delle tight junctions

La tight junction è costituita da una cintura che collega apicalmente le membrane plasmatiche delle cellule.

Le tigh junctions sono costituite da creste continue di proteine idrofobiche giunzionali transmembrana, le quali si interconnettono nello spazio intercellulare a formare uno strato impermeabile.

Connessione ai microfilamenti delle tight junctions

Nelle tight giunzioni l’adesione tra le cellule adiacenti è rinforzata nel lato citoplasmatico da legami con i microfilamenti actinici presenti nella zona immediatamente sottostante la membrana delle due cellule, lo strato corticale.

Il legame tra le proteine transmembrana (occludine e claudine) e i filamenti actinici dello strato corticale è mediato da proteine periferiche, tra cui le ZO1, ZO2 e ZO3 (Zonula Occludens protein 1, 2 e 3).

Funzioni delle tight junctions

Il ruolo delle giunzioni tight è di sigillare la regione apicale delle cellule interconnesse in modo da impedire il passaggio di ioni e molecole attraverso gli spazi intercellulari. Il passaggio delle molecole e degli ioni è sottoposto a selezione molecolare, in quanto mediato da proteine transmembrana.

In figura: Schema (a sinistra) e micrografia elettronica di cellule epiteliale, con la pozione apicale esposta a soluzioni di sali di lantanio. Gli ioni La⁺³, opachi agli elettroni, restano confinati nel lume (B) o, se iniettati,  penetrano fino a  livello della zonula adherens (C).

Tight junctions – Delimitazione del comparto luminale e ad – luminale

Le giunzioni tight impediscono anche la diffusione laterale delle proteine, operandone il loro confinamento (funzionale) nella porzione apicale o in quella laterobasale delle membrane. Nella figura è illustrato il trasporto del glucosio dal lume intestinale ai vasi sanguigni. Notare il confinameno dei trasportatori Na^+-glucosio *, che attivamente importano il glucosio nel citoplasma, e i tasportatori GluT che operano il trasporto passivo del glucosio dal citoplasma allo spaxio extracellulare.

Si veda, in proposito la lezione 8 slide 15.

Giunzioni cellula – cellula: Giunzioni ancoranti a fascia o zonula adherens

La zonula adherens è un sistema di giunzioni cellula-cellula calcio- dipendente. Sono localizzate subito sotto le tight junctions. Al microscopio elettronico appaiono come zone elettrondense, localizzate a ridosso della membrana delle cellule che risultano separate da un ristretto spazio intercellulare (circa 10 nm), più ampio delle tight junctions.

Proteine delle zonula adherens

Le proteine transmembrana coinvolte nelle giunzioni ancoranti a fascia sone le caderine – desmogleina e desmocollina – che si interconnettono nello spazio extracellulare. Le caderine nel versante citoplasmatico legano i microfilamenti actinici tramite proteine della famiglia delle catenine.

La funzione delle giunzioni ancoranti a fascia non è ancora ben definita; nella crescita cellulare sono coinvolte nel fenomeno dell’inibizione da contatto; sono anche coinvolte nella regolazione dell’apoptosi.

Giunzioni cellula – cellula: giunzioni ancoranti – Desmosomi

I desmosomi sono giunzioni cellula – cellula, calcio dipendenti, localizzati a macchia di leopardo sulla membrana cellulare. I desmosomi conferiscono alta resistenza alla trazione. Sono particolarmente abbondanti nei tessuti sottoposti a stress meccanici.

Struttura dei Desmosomi

Al microscopio elettronico i desmosomi appaiono come placche elettrondense addossate alla membrana delle cellule, le quali risultano cellule separate da un ristretto spazio intercellulare (circa 15 nm). Nel citoplasma sulle placche di adesione convergono numerosi filamenti intermedi (solitamente di cheratina).

Proteine dei Desmosomi

Le proteine transmembrana dei desmosomi appartengono alla famiglia delle caderine – desmogleina e desmocollina, sono le stesse delle zonula adherens – che si interconnettono nello spazio extracellulare. Le caderine nel versante citoplasmatico legano i filamenti intermedi tramite le proteine della placca di adesione (tra cui la desmoplachina e la placoglobina).

Confronto tra desmosoma e giunzione aderente a fascia

Le differenze più rilevanti tra i desmosomi e le zonulae adherentes riguardano gli elementi del citoscheletro a cui sono collegate le proteine transmembrana caderine: i microfilamenti nelle zonula adherens; i filamenti intermedi nei desmosomi. Sono anche differenti le proteine di collegamento – proteine della famiglia delle catenine nelle zonulae adherentes; desmoplachina, placofillina e placoglobina nei desmosomi. Inoltre, le proteine transmembrana sono membri differenti della famiglia delle caderine.

Giunzioni cellula – matrice: giunzioni ancoranti – emidesmosomi

Gli emidesmosomi come i desmosomi conferiscono alta resistenza alla trazione, ancorando le cellule alla matrice extracellulare. Sono particolarmente abbondanti nei tessuti sottoposti a stress meccanici, sono giunzioni calcio dipendenti e localizzati a macchia di leopardo. Si differenziano dai desmosomi in primo luogo per essere giunzioni del tipo cellula – matrice, ancorano le cellule alla lamina basale ( una componente della matrice extracellulare di cui si discuterà in dettaglio nei tessuti connettivi).

In figura: Micrografia al microscopio elettronico di una cella epiteliale. Sono visibili numerosi emidesmosomi che ancorano la membrana plasmatica sulla lamina basale.

Struttura degli emidesmosomi

Al microscopio elettronico gli emidesmosomi appaiono come metà desmosomi. La placca di adesione è presente solo nel versante citoplasmatico. Sulla placca convergono i filamenti intermedi di cheratina.

Tuttavia, rispetto ai desmosomi, negli emidesmosomi sono coinvolte proteine differenti. Le proteine transmembrana sono le integrine, le quali si connettono alle fibre collagene delle lamina basale della matrice extracelulare tramite proteine-ponte tra cui la fibronectina e la laminina. Nel versante citoplasmatico le integrine sono legate alla placca di adesione, costuite da proteine (tra cui la plectina) differenti da quelle della placca di adesione dei desmosomi. Le proteine della placca a loro volta si legano ai filamenti intermedi.

Adesione cellula – matrice: Contatti focali

L’adesione cellula – matrice oltre che con emidesmosomi può avvenire anche con altri sistemi tra cui i Contatti Focali.

I contatti focali sono giunzioni non ancoranti, calcio dipendenti che legano la membrana plasmatica delle cellule alla matrice extracellulare.

I contatti focali sono importanti nel movimento cellulare, nelle proliferazioni cellulari e nel differenziamento.

In figura: Fibroblasti in coltura (in alto) al microscopio confocale e al microscopio a fluorescenza, in quest’ultima i contatti focali sono evidenziati in rosso tramite immunolocalizzazione di una loro proteina, la vinculina, mentre in bianco sono immunolocalizzati  i microfilamenti di actina.

Adesione cellula-matrice : struttura dei contatti focali

Le proteine transmembrana coinvolte nei contatti focali sono le integrine, che nel versante extracellulare, tramite soprattutto la fibronectina, legano le fibre collagene. Nel versante citoplasmatico le integrine legano i microfilamenti di actina tramite proteine ancellari tra cui l’alfa-actinina, la talina, la vinculina.

Sistemi di adesione cellula-matrice: confronto tra emidesmosomi e contatti focali

Entrambi i tipi di giunzione coinvolgono le integrine quali proteine transmembrana. Le integrine sono connesse alla matrice extracellulare tramite fibronectina e laminina. Differiscono per gli elementi citoscheletrici citoplasmatici a cui le integrine sono collegate: i microfilamenti nei contatti focali; i filamenti intermedi negli emidesmosomi.

Giunzioni comunicanti: gap junctions o giunzioni serrate

Le gap giunzione accoppiano elettrochimicamente le cellule adiacenti.

Al microscopio elettronico appaiono come tratti in cui la membrana plasmatica delle cellule adiacenti sono a stretto contatto unite da ponti proteici. Lo spazio extracellulare è di circa 2 nm. In immagini trasversali da criofratture le gap junctions appaiono pervie e strettamente addossate tra loro.

Struttura delle gap junctions

Le gap junctions sono costituite da canali di circa 1,5 nm che consentono il passaggio di ioni e molecole fino ad un peso molecolare di circa 2000 daltons.

Ciascuna membrana delle cellule adiacenti contiene un emicanale (connessone) costituito da 6 proteine, le connessine. Il connessone si giustappone con il connessone presente sulla membrana della cellula adiacente.

Il canale è regalato (l’apertura è a controllo di voltaggio; si chiude in presenza di alte concentrazione di calcio o a pH acido).

La gap junctions interagiscono nel lato citoplasmatico con i filamenti di actina e con i microtubuli con particolari proteine ponte.

Proteine dell’adesione cellulare (CAMs)

In tabella sono riportate le principali proteine dell’adesione cellulare, le CAMs. E’ indicato anche il tipo di legame che formano, che è:

• omofilico (legame con la stessa molecola sulla membrana della cellula adiacente);
• eterofilico (legame con una molecola differente sulla membrana della cellula adiacente).

In tabella oltre alle CMAs già incontrate nelle precedenti diapositive, sono indicate altre due CMAs: le N-CAM (Neuronal CAM, implicate nel guidare i neuroni a formare nuove sinapsi) e le Selectine (mediano il legame dei leucociti alla parete dei vasi sanguigni per consentire la loro fuoriuscita (evasazione) nei luoghi dell’infiammazione).