Tytuł: Komunikacja międzykomórkowa
Transkrypt
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