• Кадгерины принадлежат к семейству белков трансмембранных рецепторов клеточной поверхности; это семейство подразделяется на восемь групп
• Наиболее полно изученная группа кадгеринов, «классические кадгерины», играет роль в формировании и функционировании таких межклеточных адгезивных комплексов, как адгезивные контакты
• Классические кадгерины функционируют в виде кластеров димеров, и прочность адгезивных контактов регулируется изменением числа димеров, которые экспрессируются на поверхности клетки, а также степенью их кластеризации
• Классические кадгерины присоединяются к цитоплазматическим адаптерным белкам, называемым катенинами, которые связывают кадгерины с актиновым цитоскелетом
• Кластеры кадгеринов регулируют процессы внутриклеточной передачи сигналов, образуя каркас цитоскелета, который способствует трехмерной организации комплексов из сигнальных белков и их субстратов
• Классические кадгерины необходимы для тканевого морфогенеза; в основном они контролируют специфичность межклеточной адгезии, а также изменения формы и подвижности клеток
Семейство кадгеринов состоит более чем из 70 структурно близких белков, которые имеют два общих свойства: внеклеточные участки этих белков для приобретения правильной конфигурации должны связываться с ионами кальция (отсюда «ка» в их названии), и эти белки присоединяются к другим белкам (отсюда от англ, adhere «адгерин»).
Кадгерины участвуют в межклеточной адгезии, миграции клеток и в передаче сигналов. Впервые кадгерины были обнаружены в белках опоясывающего зонального контакта, образующегося между эпителиальными клетками. Сейчас эти белки называются классические кадгерины, что позволяет отличить их от других, более отдаленных, представителей этого семейства.
Все классические кадгерины являются трансмембранными рецепторами, обладающими одним трансмембранным доменом, пятью внеклеточными доменами, расположенными на N-концевом участке молекулы, и консервативным цитоплазматическим С-хвостом, как представлено на рисунке ниже. У позвоночных пять классических кадгеринов обозначаются как Е-, Р-, N-, R- и VE-кадгерины. Это сокращенные обозначения органов и тканей, в которых они впервые были обнаружены: эпителий, плацента, нервная система, сетчатка и эндотелий сосудов.
Сейчас мы знаем, что экспрессия каждого типа кадгеринов не ограничивается этими тканями, однако названия «прижились».
Классические кадгерины функционируют в виде кластеров димеров, расположенных на поверхности клеток. Эти димеры связываются с идентичными димерами, находящимися на соседних клетках (гомофильное связывание). N- и R-пары кадгеринов также связываются друг с другом (гетерофильное связывание). Клетки контролируют прочность связывания за счет модуляции авидности, что включает как изменение общего числа рецепторов на их поверхности, так и латеральную диффузию рецепторов по плазматической мембране. Не собранные в кластеры кадгерины не образуют прочных контактов с окружающими клетками.
Существуют прямые доказательства участия кадгериновых кластеров в межклеточной адгезии. В соответствующих экспериментах продемонстрирована роль цитоплазматических хвостов кадгеринов в образовании димеров. Как показано на рисунке ниже, рекомбинантный химерный белок, содержащий внеклеточный и трансмембранный домены кадгеринового рецептора и цитоплазматический хвост от совершенно другого белка, FKBP12, экспрессировали в клетках, которые обычно друг с другом не связываются.
В адгезии, происходящей с участием внеклеточных доменов кадгеринов,
важную роль играет их цитоплазматический хвост.
Поскольку цитоплазматические хвосты FKBP12 не связываются между собой, химерный белок не образует димеров. В результате клетки не агрегируют. Однако при добавлении химического соединения, которое связывается с цитоплазматическим хвостом белка FKBP12, происходит сближение кадгериновых участков химерного белка, и они образуют кластеры димеров. При этом клетки связываются друг с другом.
Область, расположенная с С-концевой стороны участка цитоплазматического хвоста классического кадгерина, связывается с цитоплазматическим белком, который называется b-катенин. Эта область включает 56 аминокислот. Будучи связанным с кадгерином, b-катенин действует как адаптерная молекула, присоединяясь к а-катенину, который, в свою очередь, скрепляется с актиновыми филаментами. (a- и b-катенины обладают различной первичной структурой).
Поэтому b-катенин служит связующим звеном цепи белков, образующейся между кадгериновыми димерами на поверхности клеток и актиновым цитоскелетом. Как отмечалось выше, разрыв этой цепи при невозможности образования димеров приводит к нарушениям клеточной адгезии. Еще один эксперимент, в котором продемонстрирован разрыв этой цепи, представлен на рисунке ниже. Клетки, экспрессирующие мутантный ген b-катенина, который не обладает последовательностью, кодирующей сайт связывания а-катенина, не связываются друг с другом. Это происходит потому, что мутантный b-катенин может связываться с цитоплазматическим хвостом кадгеринов, но не связывается с а-катенином.
b-Катенин, не связанный с кадгеринами, участвует во внутриклеточных системах передачи сигналов, особенно при действии такого фактора роста, как Wnt, который изменяет экспрессию генов. В клетках, стимулированных Wnt, b-катенин, не связанный с кадгеринами и а-катенином, связывается с фактором транскрипции. р-Катенин поступает в ядро и связывается с факторами транскрипции, контролирующими экспрессию генов клеточного роста.
Считается, что кадгерины контролируют рост клеток косвенным образом, изолируя b-катенин в адгезивном комплексе и ограничивая активность фактора роста Wnt.
Еще один белок, который связывается с цитоплазматическим хвостом кадгерина, представляет собой сигнальный адаптерный белок, p120CAS. Этот белок также служит субстратом для Src семейства тирозинкиназ, присутствующих в кадгериновых адгезивных контактах. В кадгериновых кластерах также обнаружены другие сигнальные молекулы, что позволяет рассматривать кадгерины как непосредственных участников систем передачи внутриклеточных сигналов.
Фактически b-катенин фосфорилируется Src тирозинкиназами. Однако мы не располагаем данными, свидетельствующими о том, что сами кадгерины являются сигнальными молекулами. Более вероятно, что поскольку они могут связываться с цитоскелетом и с такими сигнальными адаптерами как p120CAS, то кадгерины и образуемые ими контакты могут выступать в качестве структурной основы, организующей сигнальные молекулы в целях регуляции их активности. Образование комплекса взаимодействующих сигнальных молекул характерно для процессов передачи сигналов и происходит, например, в фокальных адгезиях, связанных с кластерами интегриновых рецепторов. Используя аналогию, можно сказать, что кадгерины действуют как коммутатор, а не как телефонный аппарат.
Классические кадгерины играют очень важную роль в процессах развития, контролируя степень межклеточной адгезии и участвуя в процессе специфического узнавания клеток. Например, в процессе развития Е-кадгерины экспрессируются на стадии образования бластоцисты, и считается, что за счет них клеточная адгезия увеличивается, когда в развивающемся эмбрионе возникают плотные контакты и впоследствии происходит поляризация клеток эпителия.
Неудивительно, что генетический нокаут Е-кадгериновых генов приводит к гибели организмов на ранних этапах развития.
Мутации в генах других кадгеринов или их нокаут оказывает влияние на развитие многих органов, включая головной и спинной мозг, легкие и почки. Существенным моментом, общим для всех этих процессов развития, является форма движения клеток, известная под названием инвагинация. Например, у позвоночных нервная ткань закладывается при образовании гребня клетками эктодермы вдоль внешней поверхности эмбриона. Нервный гребень углубляется в желобок, который затем замыкается, образуя нервную трубку.
При образовании нервной трубки апикальные домены эпителиальных клеток должны сократиться, и клетки должны загнуться внутрь, формируя желобок, а затем диссоциировать и переместиться на новое место с тем, чтобы закрыть нервную трубку. Подобная инвагинация происходит при образовании многих тканей из клеток эктодермы, причем с участием различных типов межклеточных контактов. При делеции кадгериновых генов наблюдаются такие аномалии развития, как формирование неустойчивых моторных навыков. Эта аномалия связана с появлением функционально неполноценных нейронов, также обусловленным нарушением инвагинации эпителия.
Цитоплазматические хвосты кадгерина связываются с актиновыми филаментами через катениновые белки.
Катениновые комплексы также содержат другие линкерные и сигнальные белки, которые на схеме не показаны.
Для межклеточной адгезии с участием кадгерина, на b-катенине необходимо присутствие домена, связывающегося с а-катенином.
При образовании нервной трубки апикальная поверхность клеток нервной пластинки сокращается,
что вызывает загиб ее краев внутрь.
