Tytuł: Komunikacja międzykomórkowa

Tytuł: Komunikacja międzykomórkowa
Prowadzący: dr hab. Jarosław CzyŜ
Nr BT 324
Wymiar: 15 godzin (7 wykładów)
ECTS – 2
Termin: Semestr jesienny roku akademickiego 2011/2012
Pierwszy wykład: 9.10.2012 (wtorek; godzina 10:00)
Kolokwium zaliczeniowe: 27.11.2011 s. D107
NH3+
1
E1
2
3
Tematyka:
Funkcja komunikacji międzykomórkowej w
ontogenezie, organogenezie i patofizjologii. Kategorie komunikacji
międzykomórkowej: za pośrednictwem czynników chemicznych:
komunikacja „krynna”, i mechanicznych: komunikacja „baryczna”.
Zewnątrzkomórkowe mediatory komunikacji międzykomórkowej:
białka macierzy zewnątrzkomórkowej i ich funkcja w regulowaniu
komunikacji za pośrednictwem międzykomórkowej wymiany bodźców
chemicznych i mechanicznych. Bezpośrednia międzykomórkowa
wymiana metabolitów za pośrednictwem złącz szczelinowych,
plasmodesm i struktur nanotubularnych. Mechanizmy regulacji funkcji
złącz szczelinowych i ich rola w homeostazie i organogenezie. Funkcja
złącz szczelinowych w toku rozwoju nowotworów. Techniki analizy
funkcji złącz szczelinowych. Funkcja integryn i CAMs w komunikacji
międzykomórkowej. Oddziaływania komórka - mikrośrodowisko, a
róŜnicowanie komórek macierzystych i rozwój nowotworów.
E2
4
_
COO
1
Jarosław CzyŜ
„Komunikacja międzykomórkowa”
Zakład Biologii Komórki, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ, ul.
Gronostajowa 7, 30-387 Kraków, Tel, : ( 48 12) 6646146; Fax: (48 12) 6646902
pokój: 2.028/C123
e-mail [email protected]
2
Tytuł: Komunikacja międzykomórkowa
Prowadzący: dr hab. Jarosław CzyŜ
Nr BT 324
Osoby nie ujęte na tej liście proszone są o wpisywanie się na USOS.
Forma zaliczenia: test wyboru
Termin testu: Wtorek: 12.00 – 27.11. 2011; sala D107
3
Rodzaje faktów naukowych:
-fakty potwierdzone doświadczalnie o charakterze uniwersalnym
-fakty potwierdzone doświadczalnie w niektórych układach biologicznych
-fakty potwierdzone doświadczalnie w niektórych układach biologicznych
ale tylko w niektórych laboratoriach
-artefakty
Zalecana literatura:
1.
2.
3.
Cell junctions: adhesion, development, and disease; LaFlamme S.E. &
Kowalczyk A.P. (Eds.); Wiley-VCh; 2008
Research on gap junctions in embryonic stem cell-derived cardiogenesis and
in neoplastic cell populations; J. CzyŜ; Seria Wydawnicza WBBiBt UJ;
2007
Cancer stem cells: Identification and targets; Bapat S. (Ed.); Wiley @Sons;
2009
4
Plan kursu
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Komunikacja międzykomórkowa w szerokim kontekście
Powiązania między somatycznymi komórkami macierzystymi a rozwojem
nowotworów- rola komunikacji międzykomórkowej
Rola receptorów adhezji komórkowej w regulacji proliferacji i
róŜnicowania komórek
Mechanotransdukcja – bodźce mechaniczne a fizjologia komórek
Paneksyny, inneksyny; oraz funkcje koneksyn niezaleŜne od GJIC
Bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów – złącza
szczelinowe
Komunikacja międzykomórkowa a rozwój choroby nowotworowej
Socjalne zachowania komórek
5
Nisza ekologiczna
- Nisza jest to zbiór cech gatunku, pozwalający na pobieranie zasobów,
uniknięcie niebezpieczeństw i skuteczną konkurencję, wraz z
odpowiadającym mu zbiorem potrzeb – Grinnel, 1904; Colinvaux, 1982
- Nisza oznacza miejsce gatunku w środowisku biotycznym, wyznaczają ją interakcje
tego gatunku z tymi, które stanowią jego pokarm, i z wrogami – Elton, 1927 –
odniesienie do biocenozy
- Nisza stanowi zbiór warunków ekologicznych, w zakresie których gatunek moŜe
eksploatować zasoby na tyle skutecznie, aby móc się rozmnaŜać i kolonizować podobne
środowiska – Macfaydyen, 1952 – ekspansja
- Nisza stanowi wielowymiarową bryłę w hiperprzestrzeni wyznaczonej przez osie
zasobów środowiska – Hutchinson, 1958
J. Weiner, Encyklopedia ekologii, 2009
6
Komunikacja międzyustrojowa za pośrednictwem…
... sygnałów elektrycznych....
...bodźców chemicznych...
...sygnałów mechanoakustycznych....
... sygnałów mechanicznych...
7
...bezpośrednia wymiana metabolitów...
8
Na początku były…
...organizmy jednokomórkowe
Kosmos w kropli wody…
9
śycie „socjalne” bakterii
Monika Klejman; Wiedza i śycie, Sierpień 2009, 52
- Bakterie Vibrio fischeri rezydujące w ciele kałamarnicy Euprymna scolopes reagują na zagęszczenie
produkcją autoinduktora - stymulacja produkcji lycyferazy
- Bakterie Gram-ujemne (Burholderia, Pseudomonas, V. fisheri) jako autoinduktora uŜywają laktonów Nacylo-homoseryny – specyficznych dla danego gatunku
- Autoinduktorami dla bakterii Gram-dodatnich (E.coli, Yersinia sp. etc.) są wielopierścieniowe
cząsteczki zawierające atom boru.
Zastosowanie inhibitorów autoinduktorów (np. furanonów) moŜe10być
suplementem antybiotykoterapii
Interakcje organizmów jednokomórkowych z mikrośrodowiskiem
Vorticella sp.
Paramecium sp.
Oddziaływania
międzykomorkowe
Sygnały środowiskowe
Taksje
11
Ron Neumayer, Microimaging Services
Komunikacja między komórkami pierwotniaków
…lecz w przypadku organizmów wielokomórkowych sygnały
pochodzące od komórek tego samego gatunku mają o wiele
12
większe znaczenie…
Sugiura et al., 2005
Cykl Ŝyciowy Dictyostelium sp.
Inteligencja ameb ?
…raczej komunikacja za
pośrednictwem
wtórnych metabolitów…
13
Kiedyś „organelle komórkowe” były
osobnymi organizmami…
Mitochondria
Chloroplasty
Wskazują na to:
- właściwości DNA mitochondrialnego
- budowa rybosomów mitochondrialnych
14
Podsumowanie
Organizmy jednokomórkowe funkcjonują w
obrębie niszy, której właściwości determinowane
są nie tylko przez właściwości otaczającej je
materii nieoŜywionej, lecz równieŜ przez funkcje
innych komórek
Podobnie jest w przypadku
organizmów wielokomórkowych !!!
15
Komunikacja międzykomórkowa w akcji
Shigella flexneri na aktynowym „dopalaczu”
Leukocyt w pogoni za bakterią
16
Theriot Lab Movie Collection-Stanford Univ
Totipotencjalna komórka macierzysta daje początek
złoŜonemu organizmowi wielokomórkowemu
50µm
17
Zygota jako komórka macierzysta organizmu
wielokomórkowego
Totipotencjalna komórka macierzysta róŜnicuje w
róŜnorodne typy funkcjonalnie wyspecjalizowanych
komórek
Komórka macierzysta
Blastocysta i zarodek człowieka
Człowiek
1
5d
51 d
Anna Wobus, 2001
Komórka wyspecjalizowana
~200-2000 typów komórek
10 12-16 komórek
Komórki macierzyste dzięki potencjałowi mitotycznemu i zdolności do
róŜnicowania w wyspecjalizowane, terminalnie zróŜnicowane fenotypy zdolne są
do budowania autonomicznych struktur i systemów wielokomórkowych
18
W toku ontogenezy organizmu wielokomórkowego
pula komórek proliferujących dominowana jest
róŜnorodnymi populacjami komórek terminalnie
zróŜnicowanych
Early development Post-natal development Adultness
Soria et al., 2001
18
Ontogeneza i homeostaza organizmów
wielokomórkowych jest funkcją interakcji
między komórkami a składnikami ich „nisz”
Składniki niszy:
- komórki podścieliska
- macierz zewnątrzkomórkowa
- czynniki humoralne
19
„Nisza”
Mikrośrodowisko komórki
pozostające w stanie ciągłej z nią
wymiany informacji
20
Totipotencjalna komórka macierzysta daje początek
złoŜonemu organizmowi
50µm
Komórki macierzyste decydują o rozwoju organizmu i utrzymaniu jego homeostazy.
- skóra
Zygota
- jelito
ICM
- krew
Embrionalne komórki
macierzyste
Somatyczne, specyficzne tkankowo komórki macierzyste
- Tkanki odnawialne (np. skóra, jelito, krew)
21
- Tkanki o potwierdzonym potencjale regeneracyjnym (np. mięśnie szkieletowe, kości)
- Tkanki nieodnawialne (?) (np. układ nerwowy, serce)
Stem cells within their niche in the small intestine
Goblet cells - mucins
Paneth cells - defensins
Enteroendicrine cells – seratonin, somatostatin
22
K A Moore, I R Lemischka Science 2006;311:1880-1885
Dynamic intestine homeostasis
Crypt based columnar cells in vitro
http://thenode.biologists.com/the-intestinal-crypt/
23
Stem cells within their niche in the hair follicle
24
K A Moore, I R Lemischka Science 2006;311:1880-1885
Stem cells within their niche in the bone marrow
K A Moore, I R Lemischka Science 2006;311:1880-1885
25
ŚcieŜka sygnałowa zaleŜna od cytokin z rodziny Wnt
Nucleus
Cadherins
LEF
β-catenin
β-catenin
α-actinin
α-catenin
DNA
TCF
γ-catenin
p120ctn
vinculin
Wnt responsive gene expression
LEF
GJs
β-catenin
β-catenin
GSK3β
β
Axin
Dsh
vinculin
APC
α-actinin
β-catenin
paxillin
tensin
talin
β-catenin
TCF
Integrin
frizzled
ECM
Wnt-1
26
Podsumowanie
Mediatory komunikacji międzykomórkowej w obrębie „niszy”
- oddziaływania ‘krynne”
P1
P2
ECM
GFs
- bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów
DiI
Calcein
Donor cell
- oddziaływania ‘baryczne”
27
Banes et al,, 1995
Oddziaływania „krynne”
•
Mechanizm parakrynny - wydzielane substancje działają miejscowo na ograniczoną liczbę
najbliŜej połoŜonych komórek, zasięg zaleŜy od gradientu stęŜenia w tkance, np. cytokiny,
czynniki wzrostowe
•Mechanizm endokrynny- substancje wydzielane przez wyspecjalizowane grupy komórek tworzących
gruczoły do układu krąŜenia działają na komórki tkanek docelowych np. hormony peptydowe i
steroidowe, neurohormony, witaminy
28
Oddziaływania krynne (cd.)
•
mechanizm autokrynnny- substancja wytwarzana przez komórkę działa na
nią samą
?
•
mechanizm jukstakrynny-substancja związana z błoną komórki
przekazującej sygnał wywołuje reakcję komórki sąsiedniej w wyniku
bezpośredniego kontaktu z receptorem na jej powierzchni (czynniki z
rodziny Notch-Delta)
29
Funkcja integryn
• Białka łączące domeny
cytoszkieletarne
sąsiadujących komórek
za pośrednictwem
macierzy
zewnątrzkomórkowej
• Ale o tym później…
www.spampinatolab.unibo.it
30
30
Funkcja kadheryn
Białka łączące domeny cytoszkieletarne sąsiadujących komórek
za pośrednictwem bezpośredniej adhezji międzykomórkowej
31
Moreno, 2003
Kobielak, 2006
Komunikacja międzykomórkowa za pośrednictwem
złącz szczelinowych
Bezpośredni międzykomórkowy transfer metabolitów
32
Dynamika interakcji między komórkami a ich niszami w
toku specyficznego-tkankowo róŜnicowania komórek
1P1
1P2
2P1
Stopień zróŜnicowania
33
Totipotencjalna komórka macierzysta róŜnicuje w
róŜnorodne typy funkcjonalnie wyspecjalizowanych
komórek
Bruzdkowanie - morulacja
Komórka macierzysta
Człowiek
1
Morula
~200-2000 typów komórek
10 12-16 komórek
Komórka wyspecjalizowana
34
Ontogeneza i organogeneza organizmów
wielokomórkowych
Interakcje między komórkami a ich mikrośrodowiskiem, czyli
„niszą”, w toku organogenezy
NiezróŜnicowane komórki
Zmiany właściwości „niszy” prowadzą
„progenitory” wysyłają sygnały (ECM, do ukierunkowanego róŜnicowania
GFs) do „środowiska” powodując
komórek w jej obrębie
zmianę jego właściwości
To zaś skutkuje modyfikacją
właściwości niszy skutkującą
utrwaleniem fenotypu specyficznego
tkankowo
35
The basic concept of a stem cell niche.
Komunikacja międzykomórkowa w obrębie niszy
LaBarge M A Clin Cancer Res 2010;16:3121-3129
36
Stem cells within their niche in the bone marrow
J. Exp Med. 2011 March 14; 208(3): 421–428.
doi: 10.1084/jem.20110132
(Sugiyama et al. Maintenance of the Hematopoietic Stem Cell Pool by CXCL12CXCR4 Chemokine Signaling in Bone Marrow Stromal Cell Niches. Immunity. 2006
Dec;25(6):977-88)
37
Dynamic/temporal local micro-environmental niche.
The CXCR4-expressing fibrocytes are recruited from the circulation to the tissue by a gradient of stromal cell-derived factor (SDF)-1/CXCL12.
In the tissue the fibrocytes move and interact with the dynamic/temporal local micro-environmental niche consisting of a broad array of
extracellular matrix (ECM) molecules such as collagens, proteoglycans, hyaluronan, and glycoproteins.
ECM functions as a reservoir for a large number of growth factors and cytokines, e.g., SDF-1/CXCL12, transforming growth factor (TGF)-β,
interleukin (IL)-8, tumor necrosis factor (TNF)-α, platelet-derived growth factor (PDGF), and vascular endothelial growth factor .
In disease states, the structure and composition of the ECM is changed, and that strongly affects the activity of cells in the niche. The alteration
of the ECM, is dependent on type of disease, state of disease, gene signature, age, gender, nutrition, infection, and also physical location in the
pulmonary tree.
38
Respiratory Research. 2011; 12(1): 76.
Model of the maintenance of prostate epithelial parenchyma
Stem cells within their niche in prostate
Czyz˙, J. et al. (2012) The role of connexins in prostate cancer promotion and progression
Nat. Rev. Urol. doi:10.1038/nrurol.2012.14
39
Komunikacja międzykomórkowa
„Nisza”
Mikrośrodowisko komórki
pozostające w stanie ciągłej z nią
wymiany informacji
26
Wymiana informacji między komórką a „niszą”
decyduje o homeostazie złoŜonych organizmów
wielokomórkowych
40
Zaburzenia homeostazy organizmów
wielokomórkowych są funkcją zaburzeń
komunikacji między komórkami a ich
„niszami”
Nisza
Kompleks powierzchniowy
33
41
42
Jądro a cytoplazma
micro.magnet.fsu.edu/cells/nucleus/nucleus.html
http://cellbio.utmb.edu/Cellbio/nuclear_envelope.htm
43
"Es liegt also am Eiplasma, nicht an
den Kernen, zu welchem Teil des
Embryos sich die Teile des Keimes
entwickeln."
Hans Spemann, 1914
'It depends on the plasma, not on the nuclei, into
which part of the embryo the parts of the egg
develop.'
„ To cytoplazma, a nie jądro decyduje o tym, w jaką
część zarodka rozwinie się dany fragment komórki
jajowej”
44
Podział asymetryczny neuroblastów
Knoblich lab (www.imba.oeaw.ac.at
45
Typy symetrii podziałów komórek
(1)
Podział symetryczny generujący dwie
komórki macierzyste – namnaŜanie
komórek macierzystych
(2)
Podział asymetryczny generujący
jedną komórkę macierzystą i jedną
róŜnicującą lub zróŜnicowaną –
homeostaza/status quo
(3)
Podział symetryczny generujący dwie
identyczne komórki róŜnicujące lub
zróŜnicowane
–
namnaŜanie
progenitorów
kosztem komórek
macierzystych
(4)
Podział asymetryczny generujący nie
identyczne komórki róŜnicujące lub
zróŜnicowane – róŜnicowanie tkanki
46
Populacja komórek macierzystych determinuje samoodnowę
tkanki regulując równowagę miedzy podziałami
symetrycznymi i asymetrycznymi
1P1
1P2
2P1
47
Model ontogenezy, organogenezy i karcinogenezy organizmów
wielokomórkowych – funkcja „niszy”
Interakcje między komórkami macierzystymi a ich a ich „niszami” …czyli
mikrośrodowiskiem pozostającymi w stanie ciągłej z nią wymiany informacji… decydują o
przebiegu ontogenezy i organogenezy organizmów wielokomórkowych
Zaburzenia komunikacji między komórkami a ich „niszą” decydują o 48toku
rozwoju nowotworu