Плотные контакты

Схема строения плотного замыкающего контакта

Плотные контакты (англ. tight junctions) — запирающие межклеточные контакты позвоночных животных, в составе которых мембраны соседних клеток максимально сближены и «сшиты» специализированными белками клаудинами и окклюдинами (англ.). Распространены в эпителиальных тканях, где составляют наиболее апикальную часть (лат. zonula occludens) комплекса контактов между клетками, в который входят адгезионные контакты и десмосомы. Плотные контакты построены из нескольких лент, опоясывающих клетку, которые, пересекаясь между собой, образуют сетевидную связь. С цитоплазматической стороны ассоциированы с актиновыми филаментами^[1][2].

Эпителиальные ткани выполняют барьерную и транспортную функции, для этого они должны быть способны пропускать одни вещества и задерживать другие. Такую выборочную проницаемость успешно обеспечивают клеточные мембраны, однако между клетками остаются промежутки, через которые может проходить так называемый парацеллюлярный (параклеточный) транспорт (англ. Paracellular transport). Роль плотных контактов заключается в том, чтобы ограничивать и регулировать параклеточную диффузию: они предотвращают протекание тканевой жидкости через эпителий, но при необходимости могут быть проницаемыми для ионов, небольших гидрофильных молекул и даже макромолекул. Также плотные контакты выполняют так называемую функцию «ограждения», они предотвращают диффузию компонентов мембраны в ее внешнем слое, благодаря чему поддерживается разница в составе апикальной и базолатеральной мембран. Плотные контакты задействованы в сигнальных путях, регулирующих пролиферацию, поляризацию и дифференциацию эпителиальных клеток^[3].

Аналогом плотных контактов у беспозвоночных являются септированные контакты^[1].

Строение и молекулярный состав

Фотография препарата плотного контакта, полученного методом замораживания-скалывания (ПЭМ)

Плотные контакты состоят из тонких лент, пересекающихся между собой, которые полностью опоясывают клетку и контактируют с аналогичными лентами на соседних клетках. На электронных микрофотографиях заметно, что в участках плотных контактов мембраны соприкасаются одна с другой или даже сливаются. Комбинация метода замораживания-скалывания с электронной микроскопией с высоким разрешением позволила установить, что плёнки плотных контактов построены из белковых частиц диаметром 3-4 нм, которые выступают с обеих поверхностей мембраны. Также в пользу того, что в образовании плотных контактов ключевую роль играют белки, свидетельствует деление клеток под действием протеолитического фермента трипсина^[2].

Всего в состав тесных контактов входит около 40 различных белков, как мембранных, так и цитоплазматических. Последние необходимы для прикрепления актиновых филаментов, регуляции и сигнализирования^[3].

Мембранные белки

Мембранные белки плотных контактов можно разделить на две группы: те, которые пересекают мембрану 4 раза, и те, которые пересекают ее только раз. Первая группа значительно распространена, в нее входят белки клаудины, окклюдины и трицеллюлин. Они имеют общие черты строения, в частности в них имеются четыре α-спиральных трасмембранных домена, N- и С-концы обращены к цитозолю, а домены, выступающие в межклеточное пространство, участвуют в гомо- или гетерофильных взаимодействиях с подобными белками на соседней клетке^[3].

Основными белками плотных контактов являются клаудины (лат. claudo). Их роль была продемонстрирована на примере мышей с отсутствующим геном клаудин-1, — в эпидермисе таких животных не формируются плотные контакты и они погибают в течение дня после рождения из-за обезвоживания вследствие интенсивного испарения^[1]. Клаудины также участвуют в формировании селективных каналов для транспорта ионов. В геноме человека есть гены по крайней мере 24 различных клаудинов, экспрессия которых происходит тканеспецифически^[3].

Второе место по распространенности в плотных контактах занимают белки окклюдины (от лат. occludo — закрывать), они регулируют транспорт маленьких гидрофильных молекул и прохождение нейтрофилов через эпителий^[3]. Наибольшие концентрации третьего белка — трицеллюлина, наблюдаются в местах контакта трех клеток^[1].

К белкам плотных контактов, пересекающим мембрану один раз, относятся JAM-A,-B,-C и-D (англ. junctional adhesion molecules) и родственные им CAR (англ. coxsackievirus and adenovirus receptor), CLMP (англ. CAR-like membrane protein) и ESAM (англ. endothelial-cell selective adhesion molecule), имеющие по два иммуноглобулинных домена, а также белки CRB3 (англ. Crumbs homologue 3) и Bves^[3].

Цитоплазматические белки

Цитоплазматическая пластинка плотных контактов необходима для их присоединения к актиновым филаментам, регуляции сцепления клеток и параклеточного транспорта, а также для передачи сигналов от поверхности внутрь клетки. В её состав входят адаптерные, каркасные и цитоскелетные белки, а также элементы сигнальных путей (киназы, фосфатазы). Наиболее изучен белок цитоплазматической пластинки — ZO-1, он имеет несколько доменов белок-белкового взаимодействия, каждый из которых обеспечивает контакт с другими компонентами, в том числе три PDZ-домена (англ. PSD95–DlgA–ZO-1) — с клаудинами и другими адаптерными белками — ZO-2 и ZO-3, GUK-домен (англ. guanylate kinase homology) — с окклюдинами, а SH3-домен — с сигнальными белками^[3].

С цитоплазматической стороной плотных контактов также ассоциированы комплексы белков PAR3/PAR6 и Pals1/PATJ, необходимые для установления полярности клеток и эпителиального морфогенеза^[3].

Функции

Первые исследования функций плотных контактов привели к представлению, что это статические непроницаемые структуры, необходимые для того, чтобы ограничить диффузию веществ между клетками. Впоследствии было выяснено, что они избирательно проницаемы, к тому же их пропускная способность отличается в различных тканях и может регулироваться^[4]. Также установлена ​​еще одна функция плотных контактов: роль в поддержании полярности клеток путем ограничения диффузии липидов и белков во внешнем слое плазматической мембраны. В первом десятилетии 21 века также накоплены данные, свидетельствующие об участии этих структур в сигнальных путях, в частности, регулирующих пролиферацию и полярность^[3].

Регулирование парацеллюлярного транспорта

Непроницаемость плотных контактов в большинстве водорастворимых соединений может быть продемонстрирована в опыте по введению гидроксида лантана (электронно плотный коллоидный раствор) в кровеносные сосуды поджелудочной железы. Через несколько минут после инъекции ацинарные клетки фиксируются, и из них готовятся препараты для микроскопии. В таком случае можно наблюдать, что гидроксид лантана диффундирует из крови в пространство между латеральными поверхностями клеток, но не может проникнуть через плотные контакты в их верхней части^[2]. Другие опыты показали, что плотные контакты также непроницаемы для солей. Например при выращивании почек собаки MDCK (англ. Madin-Darby canine kidney) в среде с очень низкой концентрацией кальция, они формируют монослой, однако не сочетаются между собой плотными контактами. Через такой монослой могут свободно двигаться соли и жидкости. Если культуре добавить кальция, то за час формируются плотные контакты, и слой становится непроницаемым для жидкостей^[2].

Однако не во всех тканях плотные контакты полностью непроницаемы, существуют так называемые неплотные эпителии (англ. leaky epithelia). Например, эпителий тонкого кишечника пропускает в 1000 раз больше ионов Na ⁺, чем эпителий канальцев почек. Ионы проникают через параклеточные поры диаметром 4 Å, селективные по заряду и размеру частиц, которые формируются белками клаудинами^[4]. Поскольку эпителии различных органов эксрессируют различные наборы клаудинов, то отличается и их проницаемость для ионов. Например, специфический клаудин, присутствуюий только в почках, позволяет проходить ионам магния в процессе реабсорбции^[1].

Межклеточное пространство эпителия может быть проницаемым и для больших частиц, например, при повторении упомянутого опыта с гидроксидом лантана на ткане эпителия тонкого кишечника кролика можно наблюдать прохождение коллоидных частиц между клетками. Крупные молекулы транспортируются через специальные пути утечки (англ. leak pathway) диаметром более 60 Å^[4]. Это важно, например, для процессов всасывания аминокислот и моносахаридов, концентрация которых в тонком кишечнике возрастает после еды достаточно для их пассивного транспорта^[1].

Поддержание различия между апикальной и базолатеральной мембранами

Если в среду, контактирующую с апикальной частью монослоя MDCK-клеток, добавить липосомы, содержащие флуоресцентно меченые гликопротеины, некоторые из них спонтанно сливаются с клеточными мембранами. После этого флуоресценцию можно обнаружить в апикальной, но не в базолатеральной части клеток при условии целостности плотных контактов. Если же их разрушить, удалив из среды кальций, флуоресцентные белки диффундируют и равномерно распределяются по всей поверхности клетки^[2].

Цитозольный слой мембраны имеет одинаковый липидный состав, как в апикальном, так и в базолатеральном участках, эти липиды могут свободно диффундировать. С другой стороны, липиды внеклеточного слоя двух частей клетки существенно различаются, и обмену между ними препятствуют плотные контакты. Например, все гликолипиды, как и белки заякоренные гликозилфосфатидилинозитолом, в мембранах MDCK клеток расположены исключительно в внеклеточном слое апикальной части, а фосфатидилхолин — почти исключительно в базолатеральной части^[2].

Болезни, связанные с плотными контактами

С нарушением формирования тесных контактов связаны некоторые наследственные расстройства человека, например мутации в генах клаудина-16 и клаудина-19, которые приводят к гипомагниемии, вследствие чрезмерной потери магния с мочой. Мутации в гене клаудина-13 и трицеллюлина вызывают наследственную глухоту. Дисрегуляция некоторых белков плотных контактов связана с онкологическими заболеваниями, например экспрессия ZO-1 и ZO-2 снижается во многих типах рака. Компоненты тесных контактов также могут быть мишенями для онкогенных вирусов^[3].

Некоторые вирусы используют мембранные белки плотных контактов для проникновения в клетку, в частности клаудин-1 является корецептором для вируса гепатита C. Другие вирусы присоединяются к белкам плотных контактов, чтобы разрушить барьер, отделяющий их от настоящих рецепторов на базолатеральной слое эпителиальных клеток, или неэпителиальных клетках^[3].

Плотные контакты могут быть мишенью и для бактериальных патогенов, например Clostridium perfringens — возбудитель газовой гангрены, выделяет энтеротоксин (англ.), действующий на внеклеточные домены мембранных клаудинов и окклюдинов, и вызывает протечки эпителия. Helicobacter pylori — возбудитель гастрита — вводит в клетки белок CagA, взаимодействующий с комплексом ZO-1-JAM-A, считается, что это помогает бактерии преодолеть защитный барьер желудочного эпителия^[3].

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P Molecular Biology of the Cell. — 5th. — Garland Science, 2007. — ISBN 978-0-8153-4105-5
2. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Harvey Lodish et al. 15.7 Transport across Epithelia // Molecular Cell Biology. — 4th. — W H Freeman, 2000. — ISBN 0-7167-3136-3
3. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12} Balda MS, Matter K (2008). «Tight junctions at a glance». J Cell Sci 121: 3677—82. DOI:10.1242/jcs.023887. PMID 18987354.
4. ↑ ^{1 2 3} Shen L, Weber CR, Raleigh DR, Yu D, Turner JR (2011). «Tight junction pore and leak pathways: a dynamic duo». Annu Rev Physiol. 73: 283—309. DOI:10.1101/cshperspect.a002584. PMID 20066090.

Литература

• Строение и молекулярный составд:
  • Furuse M (2010). «Molecular basis of the core structure of tight junctions». Cold Spring Harb Perspect Biol 2. DOI:10.1101/cshperspect.a002907. PMID 20182608.
  • Krause G, Winkler L, Mueller SL, Haseloff RF, Piontek J, Blasig IE (2008). «Structure and function of claudins». Biochim Biophys Acta 1778: 631—45. DOI:10.1016/j.bbamem.2007.10.018. PMID 18036336.
• Физиология:
  • Anderson JM, Van Itallie CM (2009). «Physiology and function of the tight junction». Cold Spring Harb Perspect Biol 2. DOI:10.1146/annurev-physiol-012110-142150. PMID 20936941.
  • Shen L, Weber CR, Raleigh DR, Yu D, Turner JR (2011). «Tight junction pore and leak pathways: a dynamic duo». Annu Rev Physiol. 73: 283—309. DOI:10.1101/cshperspect.a002584. PMID 20066090.
  • Van Itallie CM, Anderson JM. (2006). «Claudins and epithelial paracellular transport». Annu Rev Physiol 68: 403—29. DOI:10.1146/annurev.physiol.68.040104.131404. PMID 16460278.
• Регуляция:
  • González-Mariscal L, Tapia R, Chamorro D (2008). «Crosstalk of tight junction components with signaling pathways». Biochim Biophys Acta 1778: 729—56. DOI:10.1016/j.bbamem.2007.08.018. PMID 17950242.
  • Tsukita S, Yamazaki Y, Katsuno T, Tamura A, Tsukita S (2008). «Tight junction-based epithelial microenvironment and cell proliferation». Oncogene 55: 6930-8. DOI:10.1038/onc.2008.344. PMID 19029935.
• Патофизиология:
  • Förster C (2008). «Tight junctions and the modulation of barrier function in disease». Histochem Cell Biol 130: 55—70. DOI:10.1007/s00418-008-0424-9. PMID 18415116.
  • Turner JR (2006). «Molecular basis of epithelial barrier regulation: from basic mechanisms to clinical application». Am J Pathol 169: 1901—9. DOI:10.2353/ajpath.2006.060681. PMID 17148655.

п • Межклеточные контакты Якорные контакты Ассоциированные с актиновым цитосклетеом Адгезионные контакты (клетка-клетка) · Фокальные контакты (клетка-внеклеточный матрикс) Ассоциированные с промежуточными филаментами Десмосомы (клетка-клетка) · Гемидесмосомы (клетка-внеклеточный матрикс) Запирающие контакты Плотные контакты (у позвоночных) · Септированные контакты (у беспозвоночных) Контакты, формирующие каналы Щелевые контакты (у животных) · Плазмодесмы (у растений)