Samenvatting literatuur - Van cel tot molecuul (Thema 7: Het cytoskelet en de extracellulaire matrix) - Geneeskunde UL - 2019/2020

Thema 7: Het cytoskelet en de extracellulaire matrix

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Cytoskelet

Hoe is het cytoskelet opgebouwd? - Chapter 17

Wat is het doel van spiercontractie?

De mogelijkheid van eukaryote cellen om zich aan te passen aan de omgeving, interacties aan te gaan enzovoorts hangt af van het cytoskelet: een ingewikkeld netwerk van eiwit filamenten in het cytoplasma. Ondanks dat bacteriën soms wel een cytoskelet hebben, komt het voornamelijk voor in de grotere en meer complexe eukaryote cellen. Het cytoskelet verandert continue mee met de acties van een cel (celdeling, vormveranderingen, reactie op de omgeving) en is niet alleen het bot, maar ook de spier van de cel. Zonder een cytoskelet zullen wonden niet helen en zullen spieren niet contraheren. Het cytoskelet organiseert de locaties van de organellen en is betrokken bij de segregatie van chromosomen tijdens celdeling. Het cytoskelet is opgebouwd uit drie typen eiwitten: microtubules, intermediaire filamenten en actine filamenten.

Een lange spiervezel is opgebouwd uit grote cellen, opgebouwd uit kleinere cellen. Het cytoplasma bestaat uit myofibrillen, de contractiele elementen van een spier. Een myofibril bestaat weer uit kleinere units, de sarcomeren. Eén sarcomeer bestaat uit dikke myosinefilamenten en dunne actinefilamenten. De actinefilamenten zijn bevestigd aan de Z-disc en zij overlappen de myosinefilamenten. Een contractie ontstaat wanneer de filamenten langs elkaar schuiven door dat een myosine kopje gaat lopen langs een actinefilament, waarbij elke keer een molecuul ATP wordt gehydrolyseerd. Door deze beweging worden bij een spiercontractie de sarcomeren korter, zonder dat de filamenten zelf van lengte veranderen. Elk myosinefilament heeft 300 myosine kopjes, waardoor een myosine kopje wel tot 5 keer per seconde aan actine kan binden. De filamenten kunnen hierdoor zeer snel langs elkaar schuiven waardoor een spier in minder dan een tiende van een seconde volledig kan contraheren. 

Wat zijn intermediaire filamenten?

Deze filamenten hebben een grote elasticiteit en zijn er om mechanische stress op een cel te weerstaan. Deze filamenten zijn het sterkst en blijven het langst bestaan van alle filamenten in het cytoskelet. Intermediaire filamenten vormen een groot netwerk in het cytoplasma om de celkern heen. De filamenten zitten vaak vast aan desmosomen op het celmembraan. De filamenten zijn ook te vinden in de celkern, waar ze zorgen voor versterking van de envelop.

Intermediaire filamenten zien er uit als touwen: lange, om elkaar heen gewonden, lijnen welke zorgen voor elasticiteit. De filamenten zijn aanwezig in verschillende cellen waar stress kan optreden, zoals zenuwcellen (axonen), spiercellen en epitheelcellen. Ze zorgen ervoor dat cellen en hun membranen niet kapot gaan als reactie op mechanische stress. De filamenten kunnen worden onderverdeeld in 4 groepen:

• Keratine filamenten (in epitheelcellen)

• Vimentin en vimentin-related filamenten (in bindweefsel, spiercellen en gliacellen)

• Neurofilamenten (in zenuwcellen)

• Nucleaire lamines

De eerste drie typen komen allemaal voor in het cytoplasma, de nucleaire lamines komen voor in de celkern waar ze zorgen voor stevigheid van de kernmembraan. Alle filamenten worden gevormd door polymerisatie van de bijbehorende eiwit subunits. Keratine filamenten zijn heel divers en komen in verschillende vormen voor in verschillende epitheelcellen. De filamenten strekken zich helemaal uit over de cel en zijn aan beide kant gebonden aan desmosomen. Dit zorgt ervoor dat mechanische stress over de cel wordt verdeeld en goed opgevangen kan worden. De functie van keratine filamenten wordt duidelijk bij de ziekte epidermolysis bullosa simplex De meeste intermediaire filamenten worden verder gestabiliseerd door binding van andere eiwitten, zoals plectine. Daarnaast bindt plectine de intermediaire filamenten ook aan de microtubules, actine filamenten en adhesiemoleculen in de desmosomen. Muizen die het gen voor plectine missen, overlijden binnen enkele dagen vanwege de slechte reactie van cellen op mechanische stress.

De intermediaire filamenten die aanwezig zijn in de celkern zijn de lamines. Deze lamines gaan weer uit elkaar bij elke celdeling, waarbij ook de nucleaire envelop wordt afgebroken. Het afbreken en opbreken van de lamines wordt gereguleerd door fosforylatie en defosforylatie van de lamines door proteïne kinases. Fosforylatie zorgt voor het uit elkaar vallen van de tetrameren en defosforylatie voor het opnieuw opbouwen van de lamines. Fouten in de nucleaire lamines worden geassocieerd met de aandoening progeria.

Intermediaire filamenten hebben als belangrijkste functie de versteviging van de cel en het doorstaan van mechanische stress bij het strekken van de cel. Ze vormen een netwerk van rondom de nucleus tot het plasmamembraan en ze zijn de sterkste en stevigste filamenten van het hele cytoskelet. Ze zitten in bijna alle dierlijke cellen en zitten ook in de nucleus, waar ze de nuclear lamina vormen. Een intermediate filament bestaat uit een N-terminal head en een C-terminal tail met daartussen een α-helix vorm, die met 2 filamenten een coiled-coil dimeer aangaat. Twee van deze dimeren vormen een tetrameer en meerdere tetrameren zorgen uiteindelijk voor de stevige touwen (fig. 17-4). Al deze touwen zijn met elkaar verbonden via noncovalente verbindingen.

De α-helix bindingen van individuele filamenten zijn precies even lang en met dezelfde nucleotide volgorde, zodat ze dezelfde diameter en interne structuur hebben. De kop en staart daarentegen zijn per filament wel anders en gaan andere bindingen aan in het cytoplasma. Intermediate filamenten zijn aanwezig in cellen die onder grote mechanische stress staan, zoals lange zenuwcellen en spiercellen. Intermediate filamenten zijn in vier groepen in te delen.

De keratine filamenten zijn in epitheel cellen te vinden, de vimentin en en vinemtin-related filaments in connective-tissue cells, spiercellen en ondersteunende cellen van het neuronale systeem, de neurofilamenten in zenuwcellen en de nuclear lamins in de kern. Alle filamenten worden gevormd door de polymerisatie van hun overeenkomstige eiwit subunits. De meest diverse van deze filamenten zijn de keratines. Ze verspreiden zich door de cel van de ene kant van de cel naar de andere. Ze komen in vrijwel elk epitheel voor en zijn in elk epitheel weer anders. Ze zitten ook in haar, veren en klauwen. Ze komen samen op bepaalde punten op het plasmamembraan, waar ze in de naburige cellen weer verdergaan. Deze punten worden desmosomen genoemd.

Hun belang wordt duidelijk als we naar de zeldzame erfelijke ziekte epidermolysis bullosa simplex kijken, waarin mutaties in de keratine genen tot uiting komen in de formatie van keratine filamenten in de epidermis. Het gevolg hiervan is dat de huid zeer kwetsbaar is voor mechanisch letsel, en lichte druk al cellen doet scheuren, waarbij blaren op de huid ontstaan. Een belangrijk eiwit waar de intermediaire filamenten mee samenwerken, is plectine, wat de filamenten bindt aan de microtubuli, actine en desmosomen. Zonder plectine ontstaat een levensbedreigende ziekte waarbij onder andere epidermolysis, spierdystrofie en neurodegeneratie is te zien. In de kern vormen de filamenten de nucleaire lamina, die een hele andere vorm heeft dan die in een cel. Het zijn minder goed georganiseerde tetrameren, na celdeling vormt het netwerk zich weer helemaal opnieuw.

De afbraak en wederopbouw van de nucleaire lamina gebeurd door de fosforylering en defosforylering van de lamina door protein kinases. Wanneer de lamina gefosforyleerd zijn, is er een vormverandering die de binding verzwakt en uit elkaar doet vallen. Defosforylering aan het einde van de mitose zorgt dat de lamina zich weer vormen.

Wat is de rol van microtubules in eukaryote cellen?

Microtubules hebben een organiserende rol in eukaryote cellen. De microtubules vormen een soort netwerk in de cel, waarlangs vesikels en organellen zich bewegen. Op het moment van mitose gaan de microtubules uit elkaar en vormen dan een mitotische spoel, welke uiteindelijk zorgt voor het uit elkaar gaan van de chromosomen. Naast onstabiele structuren, kunnen microtubules ook stabiele structuren zoals ciliën vormen. De kern van de ciliën bevat dan een dikke bundel van microtubules.

Microtubules worden opgebouwd uit subunits van tubuline dimeren (een alfa en een bèta helix). De tubuline dimeren zitten aan elkaar met non-covalente verbindingen en vormen uiteindelijk een holle buis; de microtubules. De microtubules in hun geheel krijgen een polariteit door aan het ene uiteinde een negatieve alfa helix te hebben en aan het andere uiteinde een positieve bèta helix. De polariteit van de microtubules is heel belangrijk, omdat er anders nooit een richting zou kunnen worden gegeven aan het transport binnen de cel.

Microtubules worden gevormd vanuit een centraal punt in de cel; het centrosoom. Deze bevindt zich vaak vlak naast de celkern en is opgebouwd uit gamma tubulines. De alfa tubulines binden aan deze gamma kant, waardoor de positieve uiteinden van de microtubules de cel in gaan. De aanwezigheid van een centrosoom is belangrijk, omdat de vorming van een nieuwe microtubule anders vermoeilijkt wordt. Op het moment dat er een nieuwe microtubule is ontstaan, kan deze groeien door het toevoegen van nieuwe tubuline dimeren. Echter, uit het niets kunnen er aan de positieve kant ook weer dimeren afvallen, of kan de microtubule in zijn geheel verdwijnen. Dit wordt ook wel dynamische instabiliteit genoemd; veroorzaakt door hydrolyse van een GTP molecuul naar GDP dat gebonden is aan de microtubule. Wanneer het binden van nieuwe tubuline dimeren sneller gaat dan het hydrolyseren van GTP, blijft de microtubule groeien. De relatieve instabiliteit van de microtubules zorgt ervoor dat ze snel kunnen veranderen, wat noodzakelijk is voor de functie ervan.

Het uit elkaar vallen van een microtubule kan worden voorkomen door binding van het positieve eind aan een ander molecuul of een andere celstructuur. Binding hiervan zorgt dus voor een stabiele microtubule. Er bestaat medicatie welke invloed heeft op polymerisatie en depolymerisatie van tubuline. Middelen die binden aan dan wel microtubules, dan wel tubuline, zorgen voor een stop van de celdeling. De mitotische spoel is afhankelijk van de opbouw en afbraak van microtubules en wanneer dit dus niet plaats kan vinden zal er geen celdeling plaatsvinden. Deze medicatie is dus nuttig in het geval van kankercellen, omdat cellen die halverwege de celdeling stagneren uiteindelijk dood gaan.

De instabiliteit is cruciaal voor de werking van de microtubuli: dit wordt aan de hand van het middel colcichine goed duidelijk. Colcichine bindt aan de vrije tubuline, waardoor deze geen polymeren meer kunnen vormen. Dit heeft als gevolg dat bij mitose de chromosomen niet meer verdeeld kunnen worden. Hierdoor wordt zichtbaar dat de mitotic spindle wordt gevormd door een continue toevoeging van tubuline, als dit niet plaats kan vinden vervalt de spindle volledig. Taxol heeft het tegenovergestelde effect: het zorgt dat microtubuli kunnen vormen, maar niet uiteen kunnen vallen en ook dit resulteert dat cellen blijven steken in mitose. Doordat de mitose niet doorgevoerd kan worden, sterft de cel. Hierdoor zijn deze antimitotische middelen goed tegen kanker. Vanuit het centrosoom worden constant microtubuli gemaakt en weer afgebroken. Het is echter ook nodig microtubuli stabiel te houden, om hun transportfuncties te vervullen. Dit gebeurt wanneer het uiteinde van de microtubuli met iets anders, bijvoorbeeld het plasmamembraan, verbonden is.

Cellen zijn in staat om de dynamic instability van hun microtubuli voor sommige doeleinden te veranderen. Wanneer cellen in mitose gaan, worden microtubuli dynamischer en switchen vaker tussen groeien en krimpen dan cytoplamatsche microtubuli normaal gesproken doen. Wanneer een cel gedifferentieerd is, verkrijgen de microtubuli meer stabiliteit doordat krimpen onderdrukt wordt door eiwitten die binden aan de uiteinden.

De meeste dierlijke cellen zijn gedifferentieerd en polarized, wat zeggen wil dat één kant van de cel structureel of functioneel anders is dan de andere kant. Zenuwcellen zijn hier een goed voorbeeld van. Microtubuli passen zich hieraan aan door zich in één richting te binden, waarlangs moleculen zich kunnen bewegen.

Moleculen bewegen langs deze microtubuli met een snelheid van bijvoorbeeld 10cm per dag: ze doen er dan alsnog meer dan een week over om bij de axon terminal van een zenuwcel te komen, maar als het door diffusie zou zijn, zou dit jaren in beslag kunnen nemen. Microtubuli werken samen met eiwitten die ze verbinden met andere delen van het cytoskelet, of ze aan het plasmamembraan binden. Ook zorgen motor proteins, dat membraan gebonden organellen zich langs microtubuli kunnen bewegen. Ze leveren energie hiervoor via ATP moleculen.

De motorproteins binden zich aan een microtubulus via een ATP head en een tail waar zich cargo aan kan binden, zoals vesikels of organellen. Deze motor proteins hebben een bepaalde richting: de kinesins bewegen zich in de plus kan van de microtubuli en de dyneinen richting de min kant van de microtubuli.

Microtubuli spelen ook een belangrijke rol bij de positionering en de handhaving van deze plek bij organellen. Het ER zit bijvoorbeeld aan de buitenrand en het Golgi systeem aan de binnenkant van de cel. Wanneer een cel wordt blootgesteld aan de drug colcichine (waarbij de microtubuli krimpen), bijvoorbeeld, zal het ER langzaam naar het midden van de cel teruggaan en het Golgi systeem zal uiteen vallen in vesikels. Door de microtubuli zitten de organellen op de plek waar ze het best functioneren. Ze komen daar via receptoren die aan motor proteins binden, voor het ER de kinesins en voor het Golgi systeem de dyneins.

De cilia die al eerder genoemd zijn, zijn een soort haren van de cellen, omsloten door plasmamembraan, die vloeistoffen die over de cel komen een beweging geven. In het ademhalingsstelsel zitten deze cilia er om slijm naar boven te krijgen, om zo uitgehoest te worden. Ze bestaan uit meerdere stabiele microtubuli, die uit een basal body groeien. Het basal body is de organisatiecentrum voor de cilia. Flagella zijn staarten van cellen die een propellor-achtige beweging maken en zo de cel voortbewegen. Ze lijken veel op de cilia, maar ze zijn vaak langer. Sperma cellen bevatten een flagellum, die regelmatig beweegt en zo een golfslag creëert die het de cel mogelijk maakt door een vloeistof te bewegen. De microtubuli in cilia verschillen iets in die van het cytoplasma. Ze bestaan uit 9 microtubuli in een rondje, met in het midden nog 2 microtubuli. Deze 11 bindingen zijn sterk met elkaar verbonden door eiwitten. Het belangrijkste eiwit, wat voor de beweging en de buiging zorgt, is het motor protein ciliary dinein. Dit lijkt op cytoplasmatisch dyneine, alleen zit het met het head vast aan de microtubuli en met de staart aan een microtubuli ernaast. Zo zorgt een beweging richting een kant voor een buiging van de microtubuli.

Wat zijn actine filamenten?

Actine filamenten komen voor in alle eukaryoten en zijn belangrijk voor de bewegingen van een cel. Actine filamenten zijn over het algemeen onstabiel, maar door interactie met andere eiwitten kan het een stabiel geheel vormen (zoals bij de motoreenheid in spieren). Actine filamenten gaan een interactie aan met een grote hoeveelheid actine bindingseiwitten, dit voor het uitoefenen van verschillende celfuncties.

Een actine filament is opgebouwd uit een gedraaide keten van actine moleculen, welke – net als microtubules – een polariteit hebben. De filamenten komen in grote getale voor in een cel en vaak in groepen, waardoor er een soort netwerk van actine filamenten wordt gevormd. De filamenten kunnen groeien door toevoeging van een actine molecuul aan het einde, met name aan de positieve kant van het molecuul. Actine monomeren hebben een gebonden APT molecuul, wat gehydrolyseerd wordt na binding aan het filament. Net als bij microtubules maakt dit het filament zwakker en valt het makkelijker uit elkaar. De functie van de actine filamenten kan worden aangetoond door het toevoegen van bepaalde toxines, welke of de polarisatie of de depolarisatie tegengaan. Na het toevoegen van de toxines stoppen de celbewegingen meteen.

Thymosine en profiline binden aan actine monomeren in het cytosol, welke ervoor zorgen dat een monomeer niet kan binden aan een filament. Op deze manier houden deze proteïnes de actine monomeren als “reserve” voor het moment waarop ze echt nodig zijn. Er zijn veel verschillende actine-bindende filamenten, de meesten binden aan actine filamenten en niet aan de monomeren. De proteïnes kunnen ook binden met motorproteïnes, waardoor er een contractiele bundel wordt gevormd (spiercellen).

Actine filamenten bestaan, net als microtubuli, uit stabiele en onstabiele filamenten. Zonder actine zou een cel niet kunnen delen, niet kunnen bewegen en een spiercel zou niet kunnen samentrekken. Actine kan bijvoorbeeld stevige constructies geven aan de microvilii, de borstelzone van het verteringsstelsel. Actine kan een cel doen samentrekken als een soort spier en ze kunnen tijdelijke structuren vormen die de cel laten kruipen. Ook vormen ze de contractile ring bij celdeling, die de 2 cellen uiteindelijk van elkaar scheidt.

Actine filamenten komen nauwelijks geïsoleerd voor in een cel: ze gaan samen om zo sterkere filamenten te vormen. Actine maakt gebruik van ATP in plaats van GTP in microtubuli. Verder werkt het wel hetzelfde. ATP hydrolyseert tot ADP na binding aan het molecuul en vermindert door zwakkere binding de stabiliteit van het filament, waardoor het snel kan krimpen. Net zoals bij microtubuli is het belangrijk dat actine snel op kan bouwen en weer af kan breken. Ook deze binding kan door stoffen worden voorkomen, bijvoorbeeld door een gif wat door een schimmel gemaakt wordt, cytochalasine, wat de polymerisatie van actine voorkomt. Andere stoffen zorgen ervoor dat er geen depolymerisatie kan plaatsvinden, zoals de jasplakinolides, en zorgen al bij een kleine concentratie dat er geen beweging meer te zien is in cellen.

Er zijn veel eiwitten die de eigenschappen van actine beïnvloeden, zoals thymosine en profiline, die aan actine monomeren binden, om te voorkomen dat ze polymeren gaan vormen en houden zo een reserve voorraad actine achter. Actin-bundling proteins binden aan actine filamenten om ze tot parallelle bundels te houden in microvilli.

Actine komt voornamelijk voor in een laag net onder het plasmamembraan; de cel cortex. Hier vormt het samen met bindingseiwitten een netwerk, wat de oppervlakte van de cel ondersteunt en mechanische sterkte geeft. Het herschikken van de actine filamenten in de cortex is de basis voor de vorm en de bewegingen van een cel. De meeste cellen bewegen zich voort door het kruipen over oppervlaktes, veroorzaakt door veranderingen in veel verschillende moleculen. Echter, er zijn drie processen welke essentieel lijken te zijn voor het voortbewegen van de cel:

1. Cel stoot een soort uitsteeksel uit.

2. Dit uitsteeksel bindt aan het oppervlak, waarover de cel zich gaat bewegen.

3. De rest van de cel wordt voortgetrokken door de punten waarop de cel vastzit aan het oppervlak.

De eerste stap, het vooruitduwen van het celoppervlak, wordt gereguleerd door actine polymerisatie. Hier worden lamellipodia uitgescheiden, een compact netwerk van actine filamenten, zo gelegen dat de plus kant richting het plasmamembraan wijst. Veel cellen scheiden ook filopodia uit, zowel in de leading edge als op andere plaatsen in de cel, ook met hun plus kant naar buiten georiënteerd. Deze bestaan uit een bundel van 10-20 actine filamenten. Het zenuwuiteinde van een axon bevat langere filopodia. Het zijn exploratieve, bewegende structuren die heel snel gesynthetiseerd en weer afgebroken worden, die bij het plasmamembraan liggen en dit vooruit duwen, zonder het stuk te trekken. De formatie en groei van actine filamenten aan de leading edge van een cel wordt ondersteund door verscheidene actine bindende eiwitten, die helpen om actine polymeren een het plasmamembraan te binden. Eén categorie van eiwitten, de actin-related proteins ARP’s, zorgen voor de vorming van vertakte actine filamenten. Deze eiwitten vormen een complex dat aan bestaande actine filamenten bindt, waar ze de groei van een nieuw filament regelen, wat in een hoek ten opzichte van het bestaande filament groeit. Dit web groeit aan de voorkant, maar krimpt aan de achterkant en duwt zo de cel vooruit.

Op het moment dat een lamellipodia op de gewenste plek aankomt, binden integrines moleculen in het plasmamembraan) aan moleculen aan het extracellulaire oppervlak. Deze integrines binden intracellulair actines, om de cel door middel van intercellulaire contractie voort te laten bewegen. Dit gebeurt door de interactie van actine met myosine eiwitten. Er zijn verschillende soorten myosine in cellen; myosine I komt voor in alle cellen, terwijl myosine II voornamelijk voorkomt in spiercellen.

Alle actine bindende motor proteins horen tot de myosine familie. Ze binden en hydrolyseren ATP, wat voor de bewegingsenergie van actine filamenten van de min naar de plus kant zorgt. Er zijn verschillende types van myosine in de cel, waarvan myosin-I en myosin-II het meeste voorkomen. Myosin-I wordt in elk celtype gevonden, en is makkelijker in zijn structuur en functie.

Myosin-I moleculen hebben een hoofd en een staart. Het hoofd bindt aan actine filamenten en heeft ATP hydrolyse bewegingsactiviteit die hem in staat stelt langs het filament te bewegen door te binden, los te laten en weer opnieuw te binden. De staart van myosin-I verschilt van type tot type en het bepaalt welke celcomponenten mee worden getrokken met de motor. De staart bindt bijvoorbeeld aan een bepaald membraan omsloten vesikel en trekt het door de cel langs actine sporen, of het bindt het plasmamembraan en beweegt het naar de actine filamenten toe, en duwt zo het membraan in een andere vorm.

We hebben nu verschillende functies van actine besproken. Deze verschillende functies kunnen door extracellulaire reacties tot stand worden gebracht. Voor het actine cytoskelet worden zulke structuur veranderingen getriggerd door de activatie van een verscheidenheid aan receptor eiwitten, gelegen in het plasmamembraan. Al deze signalen convergeren in de cel tot een groep van zeer op elkaar lijkende GTP-bindende eiwitten, die de Rho protein family wordt genoemd.

De eiwitten van dit type gedragen zich als moleculaire processen door een cyclus van actief, GTP-gebonden staat en een inactieve, GDP-gebonden staat. In het geval van het cytoskelet zorgt de activatie van verschillende leden van de Rho familie voor de organisatie van actine filamenten op verschillende manieren. Bijvoorbeeld: de activatie van het GTP gebonden eiwit Cdc42 triggert actine polymerisatie en bundeling om filopodia te vormen, terwijl de activatie van Rac GTP-gebonden eiwitten de formatie van sheetlike lamellipodia stimuleert. Deze complexe structurele veranderingen vinden plaats omdat elk van deze moleculaire switches samenwerken met verscheidene doeleiwitten, zoals de kinase eiwitten en de bindingseiwitten die de actine organisatie en hun bewegingen controleren. Activatie van Cdc42 bijvoorbeeld regelt de actine binding aan het ARP complex. Rac heeft deze functie ook, maar promoot ook de hydrolyse aan de plus kanten van de actine filamenten. Dit zorgt ervoor dat er meerdere mogelijkheden zijn om actine aan het plasmamembraan te binden, wat de vorming van grote lammellipodia stimuleert.

Ondanks dat myosine een centrale rol speelt in de cel, wordt dit molecuul aangestuurd door extracellulaire signalen. Dit zorgt ervoor dat de cel dus verandert, in reactie op de omgeving. Intracellulaire veranderingen wordt getriggerd door receptor eiwitten, welke leiden tot een configuratie van een groep GTP bindende eiwitten: Rho proteïne familie. Elk eiwit uit deze familie heeft weer een ander effect op actine in de cel. Het Rho netwerk verwerkt alle signalen zowel van buiten als van binnen de cel en produceert daarna signalen die ervoor zorgen dat de vorm van het actine skelet verandert.

Wat zijn kernbegrippen omtrent het cytoskelet?

• Het cytoplasma van een eukaryote cel wordt ondersteunt door een cytoskelet, bestaande uit; intermediaire filamenten, actine filamenten en microtubules.

• Intermediaire filamenten zijn stabiel en zorgen voor mechanische sterkte. Sommigen bevinden zich in de kern, anderen door het plasma heen.

• Microtubules zijn holle buizen en opgebouwd uit tubulines. Ze hebben een polariteit, het positieve uiteinde groeit het snelst.

• Microtubules groeien uit vanaf het centrosoom, waar ze vastzitten met hun negatieve uiteinde.

• Microtubules zijn dynamisch; ze worden steeds opgebouwd en weer afgebroken. Dit wordt veroorzaakt door hydrolyse van GTP.

• Microtubules kunnen worden gestabiliseerd door binding van een microtubule-bindend-eiwit.

• Eukaryote ciliën en flagellen bevatten stabiele microtubules.

• Actine filamenten zijn opgebouwd uit actine monomeren en komen voornamelijk voor in netwerken.

• Het opbouwen en afbreken van actine filamenten wordt gereguleerd door de hydrolyse van ATP.

• De vorm van de actine netwerken wordt bepaald door actine-bindende-eiwitten, welke zorgen voor de polymerisatie en depolymerisatie.

• Een netwerk van actine filamenten onder het plasmamembraan vormt de cel cortex en is verantwoordelijk voor de vorm en de bewegingen van de cel.

• Myosine moleculen zijn motor proteïnes welke ATP hydrolyse gebruiken voor de energie om langs actine moleculen te bewegen.

Extracellulaire matrix

Wat zijn celgemeenschappen (weefsels, stamcellen, kanker)? - Chapter 20

Inleiding

Kankercellen prolifereren, infiltreren en metastaseren. Kanker ontstaat wanneer de basale regels van celdeling worden geschonden. Om orde te handhaven binnen lichaamsweefsels moeten cellen zich aan bepaalde gedragsregels houden. Dat wil zeggen dat ze moeten delen wanneer nieuwe cellen van dat betreffende type nodig zijn, en afzien van delen wanneer geen nieuwe cellen nodig zijn; ze moeten lang genoeg leven om hun taken binnen het weefsel te vervullen, en ze moeten sterven wanneer dat nodig is; ze moeten hun gespecialiseerde karakter behouden, en op de juiste plek hun taken uitvoeren; ze moeten niet afdwalen naar andere weefsels en daar gaan delen.

Celgemeenschappen

Cellen zijn de bouwstenen van organismen. De meeste cellen werken goed samen en vormen weefsels. Weefsel bestaat uit cellen en een extracellulaire matrix rondom de cellen die stevigheid biedt. Extra cellulaire matrix bestaat uit vezels en grondsubstantie. Een voorbeeld zijn de celwanden bij planten. Cellen zijn verbonden met cell junctions.

De meercellige organisatie van dieren en planten is onafhankelijk geëvolueerd en de bouw van hun weefsels is op verschillende principes gebaseerd. De belangrijkste functie van epitheel is het bedekken van de externe oppervlakte van het lichaam en inwendige holten. Daarnaast beschermt het epitheel het lichaam tegen binnendringende micro-organismen en uitdroging. Ook vindt er in het epitheel transport plaats van moleculen, voedingsstoffen en afvalstoffen.

Je kunt epitheel op basis van verschillende eigenschappen indelen:

• Op het aantal lagen:

  • Eenlagig epitheel (simple epithelium)

  • Meerlagig epitheel (stratified epithelium)

  • Pseudomeerlagig epitheel

• Op de vorm:

  • Kubisch epitheel (vierkant, cuboidal)

  • Cilindrisch epitheel (langgerekt, columnar)

  • Plaveiselepitheel (plat, squamous)

Een epitheellaag is gepolariseerd en heeft twee vlakken:

• Het apicale oppervlak: deze is blootgesteld aan de lucht of een waterige vloeistof.

• Het basale oppervlak: deze rust op een ander weefsel waaraan het is bevestigd.

Om het basale oppervlakte te ondersteunen ligt hieronder een dunne en harde structuur, de basale lamina, bestaande uit type IV collageen en diverse andere macromoleculen, waaronder een eiwit genaamd laminine. Laminine zorgt voor de ‘plakfunctie’ van de intergrines. De apicale en basale kant van het epitheel zijn chemisch verschillend, waardoor het interne milieu gepolariseerd is.

Verschillende types van cel-cel verbindingen worden gevonden in epitheel:

• Tight junctions hebben een afsluitende functie en voorkomen lekkage tussen cellen. Ze worden gevormd uit claudine- en occludine-eiwitten. Ook spelen ze een belangrijke rol bij het handhaven van de polariteit.

• Adherens junctions maken een hechte verbinding tussen 2 epitheelcellen, en zitten om het transmembraaneiwit cadherine heen. Een cadherinemolecuul in het cytoplasmamembraan van een cel bindt aan een identiek cadherinemolecuul in het cytoplasmamembraan van een buurcel. Cadherine zit intercellulair verbonden aan actinefilamenten.

• Desmosomen maken een hechte verbinding tussen 2 epitheelcellen, en zitten om het transmembraaneiwit cadherine heen. De cadherine wordt intercellulair verbonden aan een cytoplasmatische schijf met daaraan verbonden keratinefilamenten.

• Gap junctions vormen kanalen die passage van kleine moleculen en ionen mogelijk maakt tussen de cellen. Op deze manier kunnen cellen communiceren. De permeabiliteit van de gap junctions kan worden beïnvloed door extracellulaire signalen.

• Hemidesmosomen verbinden de epitheelcellen met het extracellulaire matrix eiwit laminine in de basale lamina.

Veel van de gedifferentieerde cellen die voortdurend moeten worden vervangen zijn zelf niet in staat om te delen. Rode bloedcellen, epidermale cellen, de absorptie- en slijmbekercellen van de darmwand zijn van dit type, ook wel aangeduid als terminaal gedifferentieerde cellen.

Vervanging voor terminaal gedifferentieerde cellen wordt gegenereerd uit een voorraad van prolifererende cellen, die meestal afkomstig zijn van stamcellen. De stamcellen en prolifererende cellen worden vastgehouden in de overeenkomstige weefsels samen met de gedifferentieerde cellen. Wanneer een stamcel deelt kan de dochtercel een stamcel of een terminaal gedifferentieerde cel worden. De delende stamcellen van het epitheel liggen in de onderliggende crypten. De migratie van gemaakte epitheelcellen duurt 3 tot 6 dagen en verplaatst van een crypt richting de top van de villus.

Embryonale stamcellen kan je onbeperkt in kweek zetten en ze kunnen blijven differentiëren tot elk celtype in het lichaam. Er is echter een groot probleem bij het gebruik van embryonale stamcellen voor weefselherstel. Indien de getransplanteerde cellen genetisch verschillen ten opzichte van de cellen van de patiënt, worden zij afgekeurd en vernietigd door het immuunsysteem.

Genetische mutatie

Een genetische mutatie die een cel de mogelijkheid geeft om te overleven en te delen wanneer het niet zou mogen, kan catastrofale gevolgen hebben voor het organisme. Dit gebeurt bij kanker.

Kankercellen worden gekenmerkt door twee erfelijke eigenschappen:

• Ze prolifereren, ongeacht de behoeften/kenmerken van hun weefsel van origine.

• Ze infiltreren en koloniseren andere weefsels.

Cellen die enkel de eerste van deze twee eigenschappen hebben, gaan overmatig prolifereren maar blijven geclusterd op hun plek van origine waar ze een massa of tumor vormen. Men spreekt dan van een benigne tumor. Een chirurgische ingreep kan een dergelijke tumor meestal volledig verwijderen.

Een tumor wordt als maligne aangeduid wanneer het de mogelijkheid heeft om andere weefsels binnen te dringen. In dit geval is er ook echt sprake van kanker. Maligne cellen kunnen de primaire tumor verlaten, in de bloed- en/of lymfecirculatie terechtkomen, en distaal secundaire tumoren (metastasen) vormen.

Epidemiologische gegevens & risicofactoren identificeren

Voorkomen is altijd beter dan genezen, maar bij kanker is dit erg lastig. Omgevingsfactoren spelen een belangrijke rol in het ontstaan van kanker. Veelvoorkomende maligniteiten wisselen van land tot land, en studies binnen migrantengroepen tonen aan dat het risico op kanker bepaald wordt door de plek waar men woont, en niet het land van herkomst.

Welke omgevingsfactoren belangrijk zijn voor het risico op kanker, is vaak lastig te bepalen. In sommige gevallen, echter, is het gelukt om specifieke factoren te identificeren.

Een voorbeeld is de rol van het humaan papillomavirus (HPV), dat seksueel overdraagbaar is, op het ontstaan van baarmoederhalskanker (cervixcarcinoom). Uit epidemiologische gegevens bleek dat cervixcarcinomen veel vaker voorkwamen bij getrouwde vrouwen, waardoor de rol van een seksueel overdraagbare aandoening aanneembaar werd. HPV kan ongecontroleerde proliferatie van de epitheelcellen van de baarmoederhals veroorzaken. Dit wetende, kon men kanker proberen te voorkomen door de infectie te voorkomen. Het is inmiddels gelukt om een vaccin tegen HPV-infectie te ontwikkelen. Dit vaccin biedt bescherming wanneer meisjes gevaccineerd worden als ze jong en nog niet seksueel actief zijn.

De meeste vormen van kanker worden niet door virussen veroorzaakt. Epidemiologisch onderzoek heeft andere risicofactoren kunnen identificeren. Obesitas is een belangrijke risicofactor. Maar de belangrijkste risicofactor voor kanker is roken. De meeste gevallen van longkanker worden door roken veroorzaakt, en roken verhoogt ook de incidentie van vele andere soorten kankers, zoals blaaskanker. Door te stoppen met roken, zouden 30% van de dood als gevolg van kanker, voorkomen kunnen worden. Toch is het zo dat niet alle kankers voorkomen kunnen worden met behulp van leefstijl interventie.

Kanker ontstaat door een accumulatie van mutaties

Kanker is anders dan meeste genetische aandoeningen omdat het veroorzaakt wordt door mutaties in de somatische cellen (in tegenstelling tot de kiemcellen). De meeste kankerverwekkende factoren zijn mutagenen: zij veroorzaken veranderingen in het DNA. Echter, zelfs in een mutageenvrije omgeving zullen DNA-mutaties optreden. Dit komt door de beperkte nauwkeurigheid van de DNA replicatie- en herstelmechanismen. Gemiddeld treedt er één fout op voor elk 10⁹/10¹⁰ gekopieerde nucleotide. Kanker is daarom een ouderdomsziekte, aangezien het heel lang duurt voordat genoeg mutaties geaccumuleerd zijn binnen een cellijn om kanker te veroorzaken.

Naast het feit dat kankercellen veel DNA-mutaties bevatten, is het genetisch materiaal vaak ook instabiel. Dat wil zeggen dat het karyotype vaak abnormale chromosomen laat zien, waarin veel translocaties hebben plaatsgevonden. Dit kan komen door mutaties in de reparatiemechanismen en mutaties in de controlepunt mechanismen.

Mutaties geven kankercellen een voordeel

Mutaties die tot kanker leiden, geven de getroffen cel een voordeel boven de naastgelegen cellen. Door natuurlijke selectie, zullen cellen die sneller prolifereren en beter overleven, de overhand nemen. Wanneer een cel met een mutatie de mogelijkheid krijgt om te overleven en te prolifereren, zullen dochtercellen met dezelfde mutatie en overlevingsvoordeel ontstaan. Een tweede mutatie in deze cellijn kan dan extra overlevingsvoordeel opleveren. Wanneer een derde mutatie invasieve karakteristieken verleent aan de betreffende cellijn, zijn alle factoren bijeen om kanker te veroorzaken.

Kankercellen hebben een aantal gedragskenmerken:

• Ze zijn minder afhankelijk van extracellulaire factoren om te delen, groeien en overleven. Dit wordt veroorzaakt door mutaties in de signaling pathways waarmee cellen op externe invloeden reageren. Een mutatie in het RAS gen kan proliferatie triggeren zonder dat de nodige extracellulaire signalen aanwezig zijn.

• Ze ondergaan minder snel apoptose. Dit wordt vaak veroorzaakt door mutaties in het intracellulaire death program dat apoptose kan triggeren. Ongeveer 50% van alle kankersoorten bevat mutaties in het p53 gen. Het p53 eiwit is onderdeel van een check-point mechanisme waarbij cellen die een mutatie bevatten, niet verder kunnen gaan met delen of apoptose ondergaan. Cellen met instabiele chromosomen zullen normaal gesproken apoptose ondergaan. Wanneer deze cellen een defect p53 gen hebben, worden ze niet geremd en gaan ze door met prolifereren, en zullen er sterk abnormale dochtercellen ontstaan.

• Ze zijn onsterflijk. Normale cellen kunnen maar een beperkt aantal keren delen, omdat bij elke celdeling de telomeren iets korter worden, en deze uiteindelijk te kort zijn om verdere celdeling te ondergaan. Kankercellen hebben een enzym (telomerase) dat het verkorten van de telomeren voorkomt.

• Ze zijn genetisch instabiel, met een verhoogd mutatie tempo.

• Ze zijn invasief, meestal vanwege het ontbreken van specifieke celadhesie moleculen (zoals cadherinen) waarmee cellen normaal gesproken op hun plek worden gehouden.

• Ze kunnen in andere weefsels overleven en prolifereren (metastaseren). Normale cellen kunnen niet buiten hun eigen weefsel overleven.

Verschillende genen zijn belangrijk bij kanker

Proto-oncogen: een mutatie in slechts een van de twee kopieën van het gen is voldoende om problemen te veroorzaken. De mutatie heeft dan een dominant karakter. Het corresponderende gemuteerde gen wordt oncogen genoemd. Tumor-suppressor gen: beide kopieën van het gen moeten gemuteerd zijn om problemen te veroorzaken. De mutatie heeft een recessief karakter, de functie van het gen moet volledig verloren gaan om gevolgen te hebben. Heterozygoten voor TSGgenen zijn slechts één mutatie verwijderd van kanker, en dit treedt daardoor sneller en vaker op.

Colorectale kanker

De meeste gevallen van darmkanker ontstaan bij oudere mensen. Hiervoor kan geen specifieke hereditaire afwijking worden gevonden. In sommige gevallen kan een hereditaire oorzaak echter wel worden gevonden. Patiënten met deze afwijking ontwikkelen op jonge leeftijd honderden of zelfs duizenden poliepen in de dikke darm (colon en rectum). Deze poliepen kunnen op latere leeftijd maligne worden. De poliepen worden veroorzaakt door een mutatie in het APC (Adenomatous Polyposis Coli) gen. Patiënten met de hereditaire vorm van coloncarcinoom hebben één normale en één gemuteerde kopie van het APC gen geërfd. De inactivatie van de normale kopie veroorzaakt op latere leeftijd kanker. Het APC gen is dus een tumor-suppressor gen. Het codeert voor een eiwit dat de Wnt signalling pathway inhibeert en celproliferatie in de crypten van het darmslijmvlies remt.

APC faciliteert de afbraak van beta-catenine en voorkomt dat TCF (transcriptie regulator) geactiveerd wordt in afwezigheid van Wnt. Wanneer APC inactief is wordt beta-catenine niet afgebroken en bindt het aan het TCF-complex, waardoor de Wnt pathway hyperactief wordt. Epitheliale cellen in de darmcrypten gaan hierdoor excessief prolifereren, met poliepvorming als gevolg. Binnen de poliepen kunnen additionele mutaties kanker veroorzaken.

Begrip van celbiologie is vereist om nieuwe behandelingen te ontwikkelen

Tegen de tijd dat een kankergezwel ontdekt wordt bestaat het uit miljoenen cellen en vaak is het ook al gemetastaseerd. Als het gezwel nog niet ver verspreid is kan het chirurgisch makkelijk worden verwijderd. Ook is het mogelijk cellen zo te beschadigen dat het DNA van kankercellen niet hersteld wordt maar dat van gezonde cellen wel. Sommige vormen van mamma- en ovariumcarcinoom hebben een hereditaire oorzaak. De inactivatie van de BRCA1 en BRCA2 genen, die een rol spelen in het herstel van dubbelstrengsbreuken in het DNA, veroorzaakt genetische instabiliteit. Kankercellen kunnen deze instabiliteit omzeilen door alternatieve herstelmechanismen te gebruiken, waardoor ze alsnog kunnen prolifereren. Een geneesmiddel dat die alternatieve mechanismen inhibeert, zou uitkomst kunnen bieden. Door de toegenomen instabiliteit (chromosoom breuken) zouden de kankercellen sterven op het moment dat ze gaan delen. Andere strategieën zijn het beperken van de groei van bloedvaten bij tumoren, het immuunsysteem laten reageren op de tumorcellen en de genproducten van specifieke oncogenen blokkeren.