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1  Einleitung

1.1 Mechanismen der polaren Differenzierung transportierender Epithelzellen

Epithelzellen des Verdauungsrohrs, der Nierentubuli oder exokriner Drüsen besit­zen zwei strukturell und molekular verschiedene Domänen der Plasmamembran, eine apikale und eine basolaterale Membrandomäne.

Bei diesen Zellen stehen resorptive Aufgaben im Vordergrund. Ionen und organi­sche Verbindungen werden an der apikalen oder an der basolateralen Mem­brandomäne in die Zelle aufgenommen, um sie durch transepithelialen Transport am entgegengesetzten Zellpol wieder abzugeben. Als funktionelle Anpassung an diese Aufgaben können die Oberflächen einer oder beider Membrandomänen durch unterschiedliche strukturelle Differenzierungen wie z. B. Mikrovilli oder Mikro­plicae deutlich vergrößert sein.

Die kontrollierte Aufnahme von Ionen und organischer Verbindungen durch apikal oder basolateral vorhandene Transportproteine setzt voraus, daß Epithelien eine wirksame Permeabilitätsbarriere ausbilden, die eine unkontrollierte interzelluläre Passage verhindert. An der Grenze zwischen apikaler und lateraler Membrando­mäne ist daher der Interzellularspalt zwischen den Epithelzellen in einer gürtelför­migen Zone, der Zonula occludens, komplett verschlossen. Außer dem Verschluß des Interzellularspaltes bildet die Zonula occludens auch innerhalb der Lipiddop­pelschicht eine Diffusionsbarriere für api­kale bzw. basolaterale Membranproteine und sorgt so für die Aufrechterhaltung der Polarität.

Eine der Grundlagen für die Ausbildung der zellulären Polarität ist das diffe­renzielle Sortieren von Proteinen und Lipiden im Trans-Golgi-Netzwerk (TGN) und in den Endosomen (Boulan und Powell, 1992; Matter und Mellman, 1994) sowie der ziel­gerichtete Transport von im TGN abgschnürten Transportvesikeln zu den unter­schiedlichen Zellkompartimenten (Boulan und Sabatini, 1978; Simons und Wandinger-Ness, 1990). Auch in nicht polarisierten Zellen, wie z.B. Fibroblasten, werden Proteine im TGN in verschiedene Transportvesikel sortiert. Diese werden jedoch an[Seite 6↓]schließend nicht in bestimmte zelluläre Domänen der Plasmamembran eingebaut, sondern erscheinen gleichmäßig verteilt an der Zelloberfläche. Es muß also zusätzliche Faktoren geben, die die Polarität einer Epithelzelle aufbauen und aufrecht erhalten.

Die Entwicklung einer nicht polarisierten Zelle zu einer ausdifferenzierten Epi-thelzelle wird durch extrazelluläre Signale gesteuert. Die Ausbildung der zellulären Polarität (siehe Abb. 1 S. 8) beginnt mit dem direkten Kontakt der Zelle zu Kompo­nenten der extra­zellulären Matrix (EZM) und zu Nachbarzellen (Boulan et al., 1983; Wang et al., 1990; Hynes, 1992). Der Zell-Matrix-Kontakt wird hauptsächlich über Integrine (EZM-bindende Adhäsionsmoleküle mit α,β-Heterodimerstruktur) vermit-telt (Hynes, 1992). Die Zell-Zell-Bindung wird u. a. durch Cadherine (Ca2+-ab­hängige Adhäsionsmoleküle) erreicht (Kemler, 1992). Die spezifischen Bindungen dieser Proteine führen zur Aktivierung verschiedener Signalkaskaden, die den zel­lulären Umbau auslösen. Mit der Zellhaftung an der EZM entstehen zwei Mem­brandomä­nen: die basale und die freie luminale Membrandomäne. Durch Kon­taktschluß zwischen benachbarten Zellen entstehen schließlich die freie apikale und die basolaterale adhärente Membranoberfläche (Wang et al., 1990). Schon zu einem frühen Zeitpunkt der Epithelzellentwicklung sind zahlreiche Proteine mit api­kaler Bestimmung nur noch im Bereich der freien Nichtkontaktfläche vorhanden (Vega-Salas et al., 1987; Ojakian und Schwimmer, 1988). Dagegen sind viele der später ausschließlich basolateral vorkommenden Proteine weiterhin gleichmäßig über die apikale und basolaterale Membrandomäne verteilt (Nelson und Veshnock, 1986). Diese basolateral bestimmten Proteine finden sich erst dann ausschließlich an der basolateralen Domäne, wenn nach Ausbildung der Zonula occludens apikale- und basolaterale-Domäne komplett getrennt sind.

Eine Reihe von Experimenten unterstreicht die Bedeutung von Integrinen und Cadherinen für die Ausbildung der zellulären polaren Differenzierung. In L-Zell-Fibroblasten, die normalerweise keine unterschiedlich ausgebildeten Membran­domänen aufweisen, kommt es nach Transfektion mit epithelialem Cadherin (E-Cadherin) zu einer Cadherin-vermittelten Kontaktbildung zwischen den Zellen und als [Seite 7↓]Folge zur Umverteilung der endogen vorhandenen Na+,K+-ATPase und von Fo­drin (eine Komponente des Membranzytoskeletts, siehe S. 14). Beide Proteine sind in den mit E-Cadherin transfizierten Zellen genauso verteilt wie in polarisierten Epithelzellen der Niere und des Darms (Nelson und Veshnock, 1987; Wang et al., 1990).

Eine vollständige Umkehr der Polarität kann erzeugt werden, wenn epitheliale Zy­sten, die sich in Suspension spontan bilden können (apikale Oberfläche außen, basale Oberfläche innen), auf eine Kollagenmatrix aufgebracht werden. Die „falsch“ orientierten apikalen Proteine, die mit der neuen EZM in Kontakt kommen, werden dann interna­lisiert und degradiert. Es bildet sich eine neue basale Zell-EZM-Kontaktfläche aus. Die Zonula occludens wird dabei ebenfalls abgebaut, um sich an der neu entstandenen lateroapikalen Membrangrenze zu reorganisieren (Wang et al., 1990). Hierbei sind Integrine beteiligt, da sich die oben beschriebenen Umkehr der Polarität durch die Zugabe von β1-Integrin-Antikörper wie auch durch Zusatz von Integrin-antisense-Oligonukleotiden zur Zellsuspension verhindern läßt (Oja-kian und Schwimmer, 1994).

Welche Signalkaskaden werden durch die Bindung der Adhäsionsmoleküle an extrazelluläre Komponenten im Inneren der Zelle ausgelöst? Die durch Integrine und Cadherine vermittelte Zelladhäsion führt als erstes zur Ausbildung von lokalen Netzwerken zytoskelettaler Proteine. Diese bilden die strukturelle Grundlage zur Re­krutierung von Signalproteinen, die die funktionelle Differenzierung der verschiede­nen Membrandomänen steuern. (Clark und Brugge, 1995; Yamada und Miyamoto, 1995; Dedhar und Hannigan, 1996; Parsons, 1996).

Die Bindung von Integrinen an Komponenten der EZM ist ein Signal für die Tyrosin-Phosphorylierung zahlreicher Proteine, wie zum Beispiel der Fokalen Adhäsionski­nase, die so aktiviert wird (Clark und Brugge, 1995; Miyamoto et al., 1995a; Dedhar und Hannigan, 1996). Diese ist selber eine Tyrosinkinase und phosphoryliert dann ihrerseits weitere Proteine, die als Ergebnis ihrer Phosphorylierung an den Mem­brankontakt­stellen immobilisiert werden. So werden verschiedene Tyrosinkinasen wie Src, Fyn und CsK (Cobb et al., 1994; Xing et al., 1994; Miyamoto et al., 1995a; Hanks und Polte, 1997), Adaptor- und Aktivatorproteine wie Sos und Grb2, Proteine [Seite 8↓]des Ras-MAP-Kinase-Wegs und GTP-bindende Proteine der Rho-Familie mit der lateralen Zellmembran verknüpft (Miyamoto et al., 1995b).

Obwohl die molekulare Interaktion zwischen Integrinen, Fokaler-Adhäsions-kinase und weiteren Signalproteinen klar dokumentiert worden ist, bleibt deren Zu­sammenspiel und Bedeutung für die Ausbildung der Zellpolarität unverstanden. Das Gleiche gilt auch für die durch Cadherine vermittelten Zell-Zell-Adhäsions­kontakte. Zwar kennt man eine Reihe von Proteinen wie die Tyrosin-Kinasen c-Fyn und c-Src (Tsukita et al., 1991), das Tyrosin-Kinase-Substrat p120 (Shibamoto et al., 1995; Staddon et al., 1995) und die Tyrosin-Phosphatasen PTPμ, PTP-LAR (Brady-Kalnay et al., 1995; Kypta et al., 1996), die mit Cadherin-Kontakten assozie­ren, ihre Funk­tionen in der Signalübertragung sind jedoch noch weitgehend unge­klärt.

Dagegen ist die Rolle des β-Catenins besser verstanden. Dieses Cadherin-Ad­aptorprotein kann bei Kontaktlösung (Aufhebung der Kontaktinhibition oder durch andere Signale) von den Cadherinen abdissozieren und in den Zellkern transloziert werden. Dort bindet es an den Transskriptionsfaktor LEF (Behrens et al., 1996; Huber et al., 1996) und stimuliert so den Eintritt der Zelle in den Zellzyklus. Der Signalweg von LEF zur Zellproliferation ist allerdings noch wenig verstanden.


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Abb. 1Durch direkten Kontakt einer nicht polarisierten Zelle zur extrazellulären Matrix (EZM) oder zu einer Nachbarzelle kommt es an den Kontaktflächen zu strukturellen Veränderungen. Im Be­reich der neu entstandenen adhärenten Membrandomäne werden Adhäsionsmoleküle angerei­chert. Integrine binden an Komponenten der EZM und Cadherine vermitteln den Zell-Zell-Kontakt. Die vorher nicht polarisierte Zelle hat jetzt zwei unterschiedliche Membrandomä­nen: die adhärente Membrandomäne und die freie luminale Membrandomäne. Entlang der Kontaktflächen bilden sich zytoskelettale Netzwerke aus, die verschiedene Adaptor- und Signalproteine rekru­tieren (siehe Text). Durch Ausbildung der Zonula occludens erfolgt dann die Trennung der apikalen und baso­lateralen Membrandomäne der Epithelzellen (nach Yeaman et al., 1999).


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11.01.2005